Taschen-Metallsucher – Arduino Pro Mini Metalldetektor

Komponenten und Zubehör

SparkFun Arduino Pro Mini 328 – 5 V/16 MHz

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Benötigte Werkzeuge und Maschinen

• 3D-Drucker (beliebig)

Über dieses Projekt

Intro: Pocket Metal Locator – Arduino

Dieser kompakte Taschen-Metallsucher ist empfindlich genug, um kleine Nägel und Reißzwecken im Holz zu orten, und passt in enge Räume – ideal zum Tragen und für schnelle Metallsuchen.

Das Gerät verfügt über vier unabhängige Suchspulen und farbige LED-Anzeigen, sodass man größere Flächen zügig absuchen und Ziele präzise lokalisieren kann.

Es ist selbstkalibrierend per Ein-Knopf-Bedienung, per USB aufladbar und nutzt farbige LEDs, Ton und Vibration zur Anzeige der Signalstärke.

Im Tutorial enthalten: Alle Designs, Tests, Code und 3D-Dateien zum Selbstbau. Viel Spaß beim Bauen und Nutzen!

Schritt 1: Materialliste und Funktionsweise

1. Funktionsweise

Der Pocket Metal Locator nutzt vier unabhängige Pulsinduktions-Suchspulen, angetrieben von einem Arduino Pro Mini. Jede Suchspule besteht aus separaten TX- und RX-Spulen: Ein Impuls wird in die TX-Spule eingespeist, erzeugt ein elektromagnetisches Feld um die RX-Spule. Das wechselnde Feld induziert eine Spannung in der RX-Spule, die detektiert, verstärkt und deren Pulsbreite vom Arduino eingelesen wird.

Ein Glättungsalgorithmus im Code entfernt Rauschen von gültigen Impulsen – sehr stabil.

Ein Kalibrieralgorithmus mittelt die Messwerte beim Start und setzt Schwellenwerte für den Vergleich.

Nähert sich ein Metallobjekt dem Feld, wird Energie in „Eddy-Ströme“ im Objekt abgeleitet. Dieser parasitäre Effekt verkürzt die in der RX-Spule detektierte Pulsbreite – wir messen also den Leistungsverlust ins Zielobjekt.

Fällt die Pulsbreite unter den Schwellenwert, leuchten LEDs, der Summer ertönt und der Vibrationsmotor wird ausgelöst – abhängig von der Signalstärke.

Die Schaltung hat sich über das letzte Jahr zu einem sehr stabilen, zuverlässigen Detektor entwickelt. Spulenkonfiguration und -ausrichtung sind bewusst auf maximale Stabilität und Tiefe ausgelegt.

2. Materialliste

• 3,7 V 350 mAh LiPo-Akku (38 × 20 × 7,5 mm)
• TP4056 USB LiPo Ladeplatine (Datenblatt)
• 4,7 kΩ Widerstand (Ladestrom auf < 300 mA begrenzen)
• Arduino Pro Mini
• FTDI USB-Seriell-Modul zum Programmieren
• LM339 Quad-Differenzkomparator IC
• Lochrasterplatine (Vero Board) – 2 Stück: 20×9 und 34×9 Löcher (siehe Foto für Orientierung)
• 4× BC548 NPN-Transistor
• 5× 2N7000 MOSFET-Schalter
• Piezo-Summer
• Münzvibrationsmotor (haptisches Feedback)
• 4× WS2812 RGB-LED-Modul
• 4× 1 kΩ Widerstand
• 4× 10 kΩ Widerstand
• 4× 47 Ω Widerstand
• 4× 2,2 kΩ Widerstand
• 8× 150 pF Keramikkondensator
• 4× 0,18 µF Polyesterkondensator
• Rolle 0,3 mm Kupferlackdraht (ca. 25 g)
• PCB-Taster
• Heißklebepistole
• 10 mm Bohrer
• Handbohrmaschine
• Beschriftungsgerät oder Klebeband für 16 separate Drähte
• Draht (Hookup wire)
• Zugang zu 3D-Drucker

3. Komparator-Betrieb (LM339)

Da oft nachgefragt: Der LM339 arbeitet rein als Spannungskomparator, vergleicht die Differenzspannung an den Eingängen und gibt Low oder High-Impedanz (High mit Pullup) aus, je nach Polarität.

In dieser Schaltung liegt der positive Eingang am Vcc, am Ausgang ein Pullup auf Vcc. In der Praxis bleibt der Ausgang high, bis die Spannung am negativen Eingang 3,5 V übersteigt.

Die Funktion erklärt das LM339-Datenblatt („input voltage range“ 0 V bis Vsup − 1,5 V). Liegen IN− und IN+ im Common-Mode-Bereich und IN− < IN+ + Offset, ist der Ausgang high-impedant. Ist IN− über Common Mode und IN+ innerhalb, zieht der Ausgang Strom (Low).

Datenblatt & Erklärung: TI LM2901

Schritt 2: Gehäuse drucken

Das 3D-gedruckte Gehäuse besteht aus 5 separaten Drucken. Maße und Dateien auf Thingiverse. Designziel: gut in der Hand liegen, Suchspulen so nah wie möglich am Suchbereich.

Sorgfältig drucken, Grate entfernen. Wichtig: Jetzt drucken, damit Elektronik vor Finalisierung im Gehäuse ausgerichtet werden kann.

Schritt 3: Suchspulen wickeln und montieren

Auf die gedruckten Spulenträger je 25 Windungen Kupferlackdraht wickeln. Jeweils ca. 20 cm Überstand für den Anschluss lassen.

Die Löcher in den Trägern nutzen für gleichmäßige Windung und Orientierung. Träger nach und nach kopfüber in die Basis einkleben.

Foto-Montage folgen: Ergebnis sind 8 Spulen im Spulenträger, alle Drähte konsistent orientiert und lang genug für den Anschluss an die Hauptplatine im oberen Gehäuse.

Die beiden Drahtführungsblöcke mit Löchern für jede Spule im gedruckten Sockel nutzen, um jede Spule zuzuordnen.

Ich legte die Drähte der inneren Spulen oben, der äußeren unten in den Führungsblock – so behielt ich den Überblick für den Anschluss an die Hauptplatine.

Schritt 4: Schaltung aufbauen

Das Gerät hat vier unabhängige Teilschaltungen: Treiberplatine, Hauptplatine, LED-Baugruppe, wiederaufladbare Stromversorgung. Hier bauen wir Treiber- und Hauptplatine.

1. Treiberplatine (Driver Board)

Lochrasterplatine (Vero) auf 22×11 Löcher zuschneiden → 20×9 Löcher (wie Bild). Mit Teppichmesser entlang der Löcher ritzen, vorsichtig abbrechen. Prüfen, ob Platine in den Sockel passt.

Per Foto und 10-mm-Bohrer (von Hand) die markierten Leiterbahnen auf der Unterseite durchtrennen. Nach Schaltplan und Bestückungsfoto aufbauen, Kurzschlüsse vermeiden.

Beiseitelegen für späteren Test.

2. Hauptplatine (Main Board)

Lochraster auf 36×11 Löcher zuschneiden → 34×9 Löcher. Wieder ritzen, brechen, Passform prüfen.

Markierte Bahnen auf der Unterseite per 10-mm-Bohrer durchtrennen.

Nach Schaltplan und Bestückungsfoto (Arduino, LM339, weitere Bauteile) aufbauen, keine Kurzschlüsse.

Beiseitelegen.

Schritt 5: LED-Anzeigen hinzufügen

WS2812 LEDs (WS2182 im Original) mit eingebautem IC – per Arduino über drei Drähte ansteuerbar, vielfältige Farben/Helligkeiten per Befehl. Bibliothek FastLED.h in Arduino IDE nötig (siehe Testschritt).

1. LEDs in Spulendeckel montieren

Vier LEDs korrekt ausrichten (VCC/GND passend), in Lochmitten positionieren, mit Heißkleber fixieren.

2. LEDs verdrahten

Drei 25 cm Einzeldrähte (Hookup wire) abisolieren, über LED-Kontakte legen, verlöten. Mittlerer Daten-Draht an IN und OUT der LED-Kette anschließen (wie Foto).

3. Gehäuse-Passform prüfen

Prüfen, ob Deckel bündig auf Spulenträger sitzt. Drähte am Sockelende mit Heißkleber fixieren. Beiseitelegen.

Schritt 6: Zusammenbau und Test

1. Vorbereitung

Vor Finalmontage jede Platine progressiv testen – erleichtert Fehlersuche.

Arduino Pro Mini braucht USB-Seriell-Adapter zum Programmieren (kein onboard USB). FTDI-Modul besorgen (Teileliste).

Vor Code-Upload Bibliothek FastLED.h in Arduino IDE installieren. Oszilloskop-Spuren und Serial-Plot-Screenshot für Troubleshooting beigefügt.

Zwei Code-Versionen: Eine mit Test-Serial-Output.

WICHTIG: LiPo-Akku erst im allerletzten Schritt anschließen! Kurzschluss während Montage → Überhitzung/Brandgefahr.

2. Hauptplatine testen

Arduino-Seriellkabel anschließen, Code laden – prüft physische Verdrahtung, IDE und Bibliotheken. Soll fehlerfrei laden, kein Rauch!

3. Treiberplatine anschließen

Per Schaltplan mit Hauptplatine verbinden, in Gehäuse positionieren (Passform). Code laden – fehlerfrei, kein Rauch.

4. Spulen anschließen

Per Schaltplan an Hauptplatine, im Gehäuse positionieren. Spulen korrekt an Driver/Main-Board anschließen (Schaltplan beachten).

Mit Testcode zeigt Serial Port Pulsbreite 5000–7000 µS (auch im IDE Graph Plotter). Münze nah an Spule → Pulsbreite sinkt (Ziel näher).

Oszilloskop? Wellenformen an verschiedenen Schaltpunkten prüfen.

Alle Kanäle ok → Drähte so verlegen, dass Gehäuse schließt.

5. LEDs anschließen

Drei Drähte vom Spulendeckel an Hauptplatine, Code laden, LEDs prüfen. Deckel mit Heißkleber fixieren.

Schritt 7: Wiederaufladbaren Akku anschließen

HINWEISE:

1. LiPo erst ganz am Ende anschließen! Kurzschluss → Überhitzung/Brand.
2. Bei Akku/Lader auf Kurzschlusssicherheit achten.
3. LiPos ≠ andere Akkus: Überstromladen gefährlich → Ladeschaltung korrekt konfigurieren.
4. Arduino-Seriellkabel NICHT anschließen, wenn Powertaster gedrückt → Akku-Schaden.

1. Ladestrom begrenzen (TP4056)

LiPo per Micro-USB-Handylader ladbar. TP4056-Platine mit 4,7 kΩ Widerstand auf < 300 mA Ladestrom begrenzen. Anleitung: TP4056.pdf. Bestehenden SMD-Widerstand entfernen, neuen einlöten, mit Heißkleber sichern.

Vor Hauptplatine testen: Handylader an Micro-USB → rote Lade-LED leuchtet.

2. Powertaster einbauen

Taster so montieren, dass er durch Deckelmitte ragt, einlöten. Drähte zwischen Taster, Lader-Ausgang und Arduino-VCC (Schaltplan). Drückt man, aktiviert das Gerät.

Akku mit Heißkleber fixieren, Micro-USB-Buchse zum Deckelloch ausrichten (Laden möglich).

Schritt 8: Finaler Test und Betrieb

1. Physische Montage

Drähte so verlegen, dass Gehäuse schließt. Hauptplatine in Deckel einkleben, Deckel schließen.

2. Betrieb

Gerät kalibriert nach Drücken und Halten des Powertasters. Alle LEDs blinken → bereit. Taster gedrückt halten während Suche. LEDs wechseln Blau-Grün → Rot → Lila nach Signalstärke. Vibration bei Lila.

Bereit für praktische Anwendungen!

Code

Pocket_Metal_Locator_V11.ino

C/C++

Der Code ist umfangreich – hier der Link zum Download: Pocket_Metal_Locator_V11.zip (inkl. Testversion mit Serial-Debug).

Kernfunktionen:

• 4 Kanäle Pulsinduktion mit Glättung (Low-Pass-Filter, alpha = 0,85)
• Autokalibrierung beim Start (200 Messungen, Mittelwert)
• Schwellenwerte pro Kanal (Prozent unter Baseline: Lila 93 %, Rot 96 %, Grün 99 %, Blau 99,8 %)
• WS2812 LED-Ansteuerung per FastLED
• Piezo-Summer + Vibrationsmotor (Haptik)
• Sleep-Mode nicht implementiert, aber Low-Power-Design

Custom Parts & Enclosures

Thingiverse

CAD-Dateien auf thingiverse.com

Schaltpläne