自制高灵敏度 Arduino 金属探测器：铁/非铁金属识别

项目亮点

• 基于 VLF (极低频) 感应平衡 原理，双线圈设计（发射/接收各 64 匝）
• 可区分 铁磁性 (铁/钢) 与 非铁磁性 (铜/铝/金/银) 金属
• 16×2 LCD 显示金属类型、信号强度条形图、相位角度
• 蜂鸣器音调随信号强度变化，提供听觉反馈
• 一键校准消除线圈不平衡，单节 7.4V 锂电供电，功耗 < 20mA
• 探测深度：15cm 硬币，30cm+ 盖子大小物体，40-50cm 大型金属

核心原理：感应平衡 (Induction Balance)

发射线圈驱动 7.64 kHz 方波，产生交变磁场。接收线圈置于零耦合位置（几何抵消）。金属靠近改变磁场耦合，接收线圈感应出微弱信号，经运放 (TL081/LT1677) 放大后送 Arduino ADC 采样。通过四相位灵敏检波 (0°/45°/90°/135°) 计算幅度与相位：

• 相位 < -20° → 非铁磁性金属 (铜、铝等)
• 相位 ≈ 0° 或略正 → 铁磁性金属 (铁、钢)

硬件清单 (BOM)

线圈制作关键点

1. 骨架：11cm 直径 PVC 管或 3D 打印 D 型骨架
2. 绕线：64 匝，0.5mm² 漆包线，整齐紧密
3. 屏蔽：铝箔包裹线圈外侧，用镀锡铜线绑定，**必须留 2-3mm 缝隙**防止短路匝
4. 固定：扎带将两线圈平行固定在塑料板上，中心距可调以微调耦合

软件核心算法

定时器与 ADC 同步采样

• Timer1 产生 62.5kHz 方波 (ICR1 = 249/259 微调)
• Timer0 分频 8 → 7.8125kHz 驱动发射线圈 (Pin 5)
• ADC 自动触发于 Timer1 溢出，1MHz 采样时钟，8 位分辨率，每周期 8 个采样点
• ISR 中累加 4 相位箱，每 1024 次采样平均一次

相位敏感检波与谐波抵消

// 四相位累加器 bins[0..3] 对应 0°, 45°, 90°, 135°
// 消除三次谐波：
bin0 = (avg[0] + √2/2*(avg[1]-avg[3])) / 200
bin1 = (avg[1] + √2/2*(avg[0]+avg[2])) / 200
bin2 = (avg[2] + √2/2*(avg[1]+avg[3])) / 200
bin3 = (avg[3] + √2/2*(avg[2]-avg[0])) / 200

amp1 = sqrt(bin0² + bin2²)   // 0°/90° 分量幅度
amp2 = sqrt(bin1² + bin3²)   // 45°/135° 分量幅度
ampAvg = (amp1 + amp2) / 2

phase1 = atan2(bin0, bin2) * 180/π + 45
phase2 = atan2(bin1, bin3) * 180/π
phaseAvg = (phase1 + phase2)/2 - phaseAdjust  // 修正采样相位延迟

金属类型判决

if (ampAvg > threshold) {
  if (phaseAvg < -20.0)  -> "Non-ferrous" (非铁)
  else                   -> "Ferrous"     (铁)
  // 音调映射：幅度 10~200 → 频率 100~1500Hz
  tone(3, map(ampAvg, 10, 200, 100, 1500), 120);
}

Arduino 完整代码结构

代码已整理为单文件，包含：

• 硬件引脚定义 (LCD、按钮、线圈驱动、ADC、音调)
• Timer1/Timer0/ADC/中断初始化
• ISR (TIMER1_OVF_vect) 相位累加与平均
• 主循环：校准按钮检测 → PID 计算 → 电机控制 → LCD 刷新 → 串口调试输出
• 依赖库：LiquidCrystal.h (官方)、LcdBarGraph.h (条形图库)

完整代码下载： 参见项目 Code 栏附件 .ino 文件。

调试与校准流程

1. 上传代码，上电，LCD 显示初始化画面。
2. 远离金属，按住 校准按钮 (Pin 2) 3 秒，LCD 显示 "Calibrating..."，串口输出四路校准基线值。
3. 松开按钮，设备进入检测模式。LCD 第一行显示类型 (Ferrous/NonFerous/空白)，第二行显示强度条形图。
4. 用铁块、铜管、铝罐、硬币分别测试，观察相位与音调变化。
5. 若零点漂移，重新按校准键；若灵敏度不足，调节电位器微调 90° 分量，或在代码中降低 threshold (默认 5.0)。

进阶改进方向

• 在发射线圈驱动端加入 功率 MOSFET (IRF540 等) 推挽驱动，提升场强 3-5 倍
• 接收端增加 带通滤波器 (7.64kHz 中心) 抑制环境噪声
• 引入 温度补偿：电容漂移导致谐振频率偏移，可用热敏电阻监测并软件修正 Timer1 TOP 值
• 增加 GPS/蓝牙模块 记录探测位置，生成热力图
• 制作手持式人体工学手柄，集成电池、开关、LCD、蜂鸣器一体化

原理图与 PCB

项目附件包含原理图 (Eagle/KiCad 格式) 与 PCB 布局，已通过 PCBgogo 制板验证。关键点：

• 模拟地/数字地单点汇流，运放电源去耦 100nF+10μF
• 线圈驱动走线粗短，远离敏感接收走线
• LCD 背光由 Pin 8 控制，可 PWM 调光省电

致谢

本项目基于 David Crocker 2013 年 Arduino 论坛开源代码改进，感谢 PCBgogo 赞助 PCB 制造。完整构建过程见作者 YouTube 视频。