Arduino Nano 脉冲感应金属探测器 – DIY 套件与指南

组件与物料

所需工具

• 电烙铁

原理介绍

脉冲感应 (PI) 技术：单线圈兼作发射与接收。向线圈注入大电流短脉冲，产生强磁场；脉冲结束时磁场急剧崩塌产生反射脉冲 (~30µs)。金属物体进入磁场会改变反射脉冲的幅度与相位，从而被检测。可区分铁磁/非铁金属。

本设计基于 N.E.C.O. Projects 的 PIRAT 无线金属探测器，配合 Android App Spirit PI (Play Store 免费/专业版) 通过 HC-05 蓝牙显示波形、调节参数。

改进点

1. 原版 150Ω 限流电阻改为 47kΩ 电位器，可调线圈电流，灵敏度可调。
2. 原版 62kΩ 分压电阻改为 100kΩ 电位器，调节运放基准电压至 ~4.5V (A0 输入)，适配不同运放/供电电压。
3. 供电：4 节锂电池串联 (>15V)，经 LM7805 降压至 5V 供 Arduino (接 5V 引脚)，避免 Vin 超 12V 限制。

线圈制作

• 漆包铜线直径 0.4mm
• 25 匝，圆形直径 19cm
• 成品需远离金属物体，胶水固定，不可用金属螺丝

性能表现

• 小硬币：10-15cm 检测距离
• 大金属物体：30-40cm 以上
• 制作调试相对简单，适合进阶爱好者

Arduino 代码

#include <EEPROM.h>
// #include <SoftwareSerial.h> // 蓝牙软串口可选
// int bluetoothTx = 5, bluetoothRx = 6;
// SoftwareSerial bluetooth(bluetoothTx, bluetoothRx);

#define pulsePin 2
int timer = 200;
const int button1 = 12;
int buttonState1 = 0;
char data;

// EEPROM 地址
int addr_duty = 0, addr_freq = 1;
int stored_value, duty_cycle, duty_cycle_temp, freq, freq_temp;
int duty_def_value = 10, freq_def_value = 60;

// 平衡/积分变量
int value_count = 0, value_count_def = 100;
int balance_value = 0, balance_value_temp = 0;

unsigned long startMillis, currentMillis;
long period = 100000; // µs

// 电池电压监测
float resistencia1 = 101000; // 100k
float resistencia2 = 10000;  // 10k
float const arefVolt = 4.8;  // 实测 AREF 电压
float voutv, vinv;
unsigned long startMillisVolts, currentMillisVolts;
long periodVolts = 2000; // ms
int sensorValue;

void setup() {
  Serial.begin(115200); // 蓝牙波特率 115200
  readFromStorage(addr_duty); duty_cycle = stored_value;
  readFromStorage(addr_freq); freq = stored_value;
  if (duty_cycle == 0 || duty_cycle == 255) { writeToStorage(duty_def_value, addr_duty); readFromStorage(addr_duty); duty_cycle = stored_value; }
  if (freq == 0 || freq == 255) { writeToStorage(freq_def_value, addr_freq); readFromStorage(addr_freq); freq = stored_value; }
  pinMode(pulsePin, OUTPUT);
}

void loop() {
  currentMillis = micros();
  currentMillisVolts = millis();
  
  if (Serial.available() > 0) {
    data = Serial.read();
    setDutyAndFreq(data);
  }
  
  // 脉冲发射定时
  if (currentMillis - startMillis >= period) {
    period = 1000000 / freq;
    digitalWrite(pulsePin, HIGH);
    duty_cycle_temp = duty_cycle * 10;
    delayMicroseconds(duty_cycle_temp);
    digitalWrite(pulsePin, LOW);
    
    // 采样 3 次取最后一次
    for (int i = 0; i < 3; i++) sensorValue = analogRead(A0);
    delayMicroseconds(10);
    sensorValue = analogRead(A0);
    sensorValue /= 5; // 缩放
    
    sendData();
    startMillis = currentMillis;
  }
  
  // 电池电压定时读取
  if (currentMillisVolts - startMillisVolts >= periodVolts) {
    lecturaVoltios();
    startMillisVolts = currentMillisVolts;
  }
}

void writeToStorage(int valor, int addr) { EEPROM.write(addr, valor); }
int readFromStorage(int addr) { stored_value = EEPROM.read(addr); return stored_value; }

void setDutyAndFreq(char valor) {
  // n/m 调节 duty_cycle, j/k 调节 freq, +/- 调节 balance
  if (valor == 'n') { readFromStorage(addr_duty); duty_cycle++; writeToStorage(duty_cycle, addr_duty); }
  else if (valor == 'm') { readFromStorage(addr_duty); duty_cycle--; writeToStorage(duty_cycle, addr_duty); }
  else if (valor == 'j') { readFromStorage(addr_freq); freq += 10; writeToStorage(freq, addr_freq); }
  else if (valor == 'k') { readFromStorage(addr_freq); freq -= 10; writeToStorage(freq, addr_freq); }
  else if (valor == 'p') { writeToStorage(0, addr_freq); writeToStorage(0, addr_duty); } // 恢复默认
}

void lecturaVoltios() {
  vinv = 0;
  for (int i = 0; i < 100; i++) {
    voutv = (analogRead(A7) * arefVolt) / 1023.0;
    vinv += voutv / (resistencia2 / (resistencia1 + resistencia2));
    if (vinv < 0.9) vinv = 0;
  }
  vinv /= 100;
}

void sendData() {
  String data = "<";
  data += sensorValue; data += "/";
  data += freq; data += "/";
  data += duty_cycle; data += "/";
  data += vinv; data += ">";
  Serial.println(data);
  // bluetooth.println(data); // 如用软串口发送给手机
}

原理图

调试步骤

1. 焊接电路板，检查短路
2. 上传代码，接上蓝牙模块 (波特率 115200)
3. 手机安装 Spirit PI，配对 HC-05
4. 调节 47kΩ 电位器增大线圈电流、100kΩ 电位器使 A0 读数约 4.5V
5. 远离金属观察基线，靠近金属观察波形变化