포켓 메탈 로케이터: 아두이노 프로 미니 기반 초소형 금속 탐지기

프로젝트 개요

나무 속 작은 못이나 압정까지 감지할 만큼 민감하면서도, 좁은 공간에 들어가기 편한 초소형 금속 탐지기 '포켓 메탈 로케이터'를 아두이노 프로 미니로 제작합니다. 4개의 독립적인 펄스 유도(Pulse Induction) 검색 코일과 컬러 LED 표시등으로 넓은 영역을 빠르게 스캔하면서 목표물을 정확히 식별합니다. 원버튼 자동 보정, USB 충전식 리튬폴리머 배터리, 컬러 LED·소리·진동으로 목표물 강도를 직관적으로 알립니다. 설계도, 테스트 과정, 코드, 3D 프린팅 파일까지 모두 제공합니다.

작동 원리

각 검색 코일은 별도의 송신(TX) 코일과 수신(RX) 코일로 구성됩니다. TX 코일에 펄스를 인가해 RX 코일 주변에 전자기장을 형성하고, 변화하는 전자기장이 RX 코일에 유도 전압을 만듭니다. 이 신호를 증폭해 펄스 폭을 아두이노가 읽습니다. 금속 물체가 전자기장 범위 내에 들어오면 에너지가 목표물 내 '에디 전류(Eddy Current)'로 유출되어 RX 코일의 펄스 폭이 줄어듭니다. 즉, 목표물로 손실되는 전력량을 측정하는 것입니다. 펄스 폭이 임계값 이하로 떨어지면 LED 점등, 부저 음, 햅틱 진동으로 알립니다.

노이즈 제거 및 보정 알고리즘

• 스무딩(저역통과 필터): 아두이노 코드 내 스무딩 알고리즘으로 노이즈를 제거해 매우 안정적인 신호를 얻습니다.
• 자동 보정: 시작 시 일정 횟수 측정값의 평균으로 기준선(Baseline)을 설정하고, 이를 기준으로 임계값을 산출합니다.

비교기(LM339) 동작 원리

LM339 쿼드 디퍼렌셜 비교기는 양/음 입력 핀 간 전압 차를 비교해 로직 로우 또는 하이 임피던스(풀업 시 로직 하이)를 출력합니다. 본 회로에서는 양 입력을 Vcc에 연결하고 출력에 풀업 저항을 달아, 음 입력이 3.5V를 넘으면 출력이 로우가 되도록 구성했습니다. 데이터시트상 '입력 전압 범위'는 0V ~ Vsup-1.5V입니다.

부품 리스트

• 3.7V 350mAh 리포 배터리 (38×20×7.5mm)
• TP4056 USB 리포 배터리 충전 보드 + 4.7kΩ 저항(충전 전류 300mA 이하 제한)
• 아두이노 프로 미니 (5V/16MHz)
• FTDI USB-시리얼 모듈 (프로그래밍용)
• LM339 쿼드 비교기 IC
• 베로 보드(Vero Board) 20×9 홀, 34×9 홀 각 1개
• BC548 NPN 트랜지스터 × 4
• 2N7000 MOSFET 스위치 × 5
• 피에조 부저, 코인 진동 모터(햅틱)
• WS2812 RGB LED 모듈 × 4
• 저항: 1kΩ×4, 10kΩ×4, 47Ω×4, 2.2kΩ×4
• 커패시터: 150pF 세라믹 ×8, 0.18uF 폴리에스터 ×4
• 0.3mm 에나멜 동선 (약 25g 롤)
• PCB 마운트 푸시버튼, 10mm 드릴 비트, 핸드 드릴, 라벨건/테이프, 훅업 와이어, 3D 프린터

제작 단계

1. 케이스 3D 프린팅

씽기버스(Thingiverse)에 공개된 5개 파트로 출력합니다. 검색 코일이 검색 면에 최대한 가깝게 위치하면서 잡기 편한 형태로 설계되었습니다. 출력 후 여분 플라스틱을 깨끗이 제거해 전자 부품이 케이스에 정확히 정렬되도록 합니다.

2. 검색 코일 권선 및 장착

출력된 코일 포머에 에나멜 동선 25회 감고, 연결용으로 20cm 여유를 둡니다. 포머의 홀을 이용해 일관된 권선 방향을 유지하고, 거꾸로 뒤집어 베이스 유닛에 점진적으로 접착 고정합니다. 사진과 같이 8개 코일이 일관된 방향과 길이로 장착되도록 합니다. 베이스에 있는 두 개의 와이어 가이드 블록으로 각 코일별 와이어를 정리합니다. 내부 코일은 위쪽, 외부 코일은 아래쪽에 배치해 식별을 용이하게 했습니다.

3. 회로 기판 제작

드라이버 보드: 베로 보드 22×11 홀을 20×9로 잘라 사진과 같이 하단 트랙을 절단하고 부품을 실장합니다.
메인 보드: 베로 보드 36×11 홀을 34×9로 잘라 동일하게 트랙 절단 후 아두이노, LM339, 기타 부품을 실장합니다. 각 보드는 테스트 후 따로 보관합니다.

4. LED 표시등 장착

WS2812 LED 4개를 코일 인클로저 뚜껑 중앙 홀에 핫글루로 고정합니다. VCC, GND, 데이터 3선을 25cm 길이로 솔더링해 연결합니다(데이터 선은 IN/OUT 직렬 연결). 뚜껑이 케이스와 평행하게 닫히는지 확인 후 와이어를 핫글루로 고정합니다.

5. 조립 및 테스트

주의: 리포 배터리는 가장 마지막에 연결하세요. 조립 중 쇼트 시 과열·발화 위험이 있습니다.

1. 메인 보드 단독 테스트: 아두이노 시리얼 케이블 연결해 코드 업로드 확인 (에러 없고 연기 나지 않아야 함)
2. 드라이버 보드 연결 및 케이스 내 배치 확인
3. 코일 연결: 테스트 코드 업로드 후 시리얼 포트/그래프 플로터에서 펄스 폭(5000~7000μs) 확인. 코인 접근 시 펄스 폭 감소 확인. 오실로스코프로 파형 진단 가능.
4. 모든 채널 정상 작동 시 와이어 정리해 케이스 닫히도록 배치
5. LED 연결 및 동작 확인 후 코일 인클로저 뚜껑 고정

6. 충전식 배터리 연결

TP4056 보드의 기존 표면 실장 저항을 제거하고 4.7kΩ 저항으로 교체해 충전 전류를 300mA 이하로 제한합니다(핫글루로 고정). 마이크로 USB 충전기 연결 시 빨간 충전 LED 점등 확인. 푸시버튼 전원 스위치를 뚜껑 중앙 홀에 맞춰 장착하고, 회로도대로 배선합니다. 배터리는 핫글루로 고정하고 마이크로 USB 소켓이 케이스 홀과 정렬되도록 합니다.

7. 최종 테스트 및 작동법

와이어를 정리해 케이스를 완전히 닫고 메인보드를 뚜껑에 핫글루로 고정합니다. 전원 버튼을 길게 누르면 보정 후 모든 LED가 점멸하며 준비 완료. 버튼을 누른 채로 검색하며, 목표물 강도에 따라 LED가 청록→빨강→보라로 변하고 보라일 때 햅틱 진동이 발생합니다.

소스 코드

아두이노 IDE에 FastLED.h 라이브러리 설치 필요. 테스트용 시리얼 출력 코드(Pocket_Metal_Locator_V11__TEST_CODE.zip)와 최종 버전(Pocket_Metal_Locator_V11.zip) 제공. 주요 로직: 4채널 펄스 유도 측정 → LPF 스무딩 → 시작 시 자동 보정(임계값 산출) → 임계값 대비 펄스 폭 감소율에 따라 4단계 LED 색상/부저/진동 출력.

3D 프린팅 파일 및 회로도

• 케이드 파일: Thingiverse (검색어: Pocket Metal Locator)
• 회로도 이미지 및 프리칭(Fritzing) 파일 제공