Металлоискатель — частотомер

Металлоискатель — частотомер

130
0

2019-04-28, 17.24.40
Дальнейшим развитием металлоискателя на биениях можно рассматривать металлоискатель по принципу электронного частотомера [5, 6]. Это совместная разработка автора и инженера из г. Донецка (Украина) Юрия Колоколова (адрес его персональной странички в Интернете — http://home.skif.net/-yukol/index.htm), усилиями которого удалось воплотить идею в законченное изделие на основе программируемого однокристального микроконтроллера. Им разработаны конструкция и программное обеспечение, а также проведены натуральные испытания. Также вас может заинтересовать фитнес центр ивантеевка, подробнее на сайте по ссылке.

Внимание!

Несмотря на простоту конструкции предлагаемого металлоискателя по принципу частотомера, его изготовление в домашних условиях может оказаться затруднительным из-за необходимости занесения в микроконтроллер специальной программы. Это можно сделать, только имея соответствующий опыт и программно-аппаратные средства для работы с микроконтроллером.

В настоящее время московской фирмой «Мастер Кит» освоен выпуск наборов для радиолюбителей для самостоятельной сборки описываемого металлоискателя (см. Рекламное приложение в конце книги). Набор содержит печатную плату и электронные компоненты, включая уже запрограммированный контроллер. Возможно, для многих любителей поиска кладов и реликвий, приобретение набора NM8041 (нумерация по каталогу фирмы «Мастер Кит») и последующая его несложная сборка, окажутся удобной альтернативой приобретению дорогого промышленного прибора или изготовлению металлоискателя полностью своими силами.

Для тех же, кто чувствует уверенность в себе и готов попробовать изготовить и запрограммировать микропроцессорный металлоискатель, на персональной страничке Юрия Колоколова в Интернете помещен код ознакомительной версии прошивки контроллера в формате Intel Hex и другая полезная информация. Данная версия прошивки отличается от полной версии, которая записана в микроконтроллеры набора NM8041, отсутствием динамического режима и некоторых других возможностей.

Принцип действия рассматриваемого металлоискателя основан на измерении с помощью электронного частотомера частоты генератора, в контур которого входит датчик — катушка индуктивности. При этом полезную информацию несет не само значение частоты, а ее приращение, которое возникает при приближении датчика к мишени, и знак этого приращения.

Металлоискатель обладает дальностью обнаружения, примерно в полтора раза большей, чем у прототипа на биениях. При этом он обладает селективностью по металлам. Малый потребляемый ток и широкий диапазон возможных питающих напряжений позволяет реализовать широкий выбор вариантов подключения батарей элементов питания или аккумуляторов. Прибор автоматически подстраивается под начальную частоту измерительного генератора. При этом, теоретически, значение частоты может находиться в пределах примерно от 100 Гц до 200 кГц, что дает большие возможности также и для выбора конструкции датчика. По количеству деталей предлагаемый металлоискатель не сложнее, чем металлоискатель на биениях. Этого удалось достичь благодаря программной реализации большинства функций в однокристалльном микроконтроллере.

Основные технические характеристики:
Напряжение питания . . . . . . . 5,5…20 В
Потребляемый ток . . . . . . . 15 мА
Индикация . . . . . . . световая (7 светодиодов) и звуковая
Режимы поиска . . . . . . . статический и динамический
Дискриминация . . . . . . . ферромагнетики/неферромагнетики
Глубина обнаружения (на воздухе):
монета диаметром 25 мм . . . . . . . 11 см
пистолет . . . . . . . 17 см
каска . . . . . . . 37 см

Структурная схема:

Структурная схема металлоискателя, выполненного по принципу электронного частотомера, показана на рис. 1.

Собственно, рассматриваемый металлоискатель состоит только из измерительного генератора и электронного частотомера. Структурная же схема является, скорее, иллюстрацией к алгоритму его работы.

А сам алгоритм работы металлоискателя таков. Сначала электронный частотомер измеряет частоту измерительного генератора, когда датчик находится вдали от металлических предметов и ферромагнетиков. Это значение заносится в запоминающий регистр. Затем, в реальном масштабе времени, частотомер измеряет частоту измерительного генератора. Из полученных значений вычитается значение эталонной частоты и результат подается на устройство индикации.

Принципиальная схема металлоискателя изображена рис. 13. Измерительный генератор построен на интегральном таймере А1 типа NE555 (отечественный аналог- К1006ВИ1). Эта микросхема используется в несколько необычном включении — в качестве LC-генератора. Колебательный контур генератора состоит из конденсаторов С1*, С2* и катушки индуктивности датчика L.

Резонансная частота определяется как для обычного колебательного контура, при этом в качестве емкости контура выступает емкость последовательно включенных конденсаторов С1* и С2*. При использовании типового датчика диаметром 180… 190 мм, содержащего 100 витков провода и емкостях конденсаторов С1* = 0,047 мкФ и С2* = 0,01 мкФ, частота генерации составляет около 20 кГц. При необходимости частоту генератора можно изменить, изменив емкости конденсаторов С1* и С2*. При этом желательно, чтобы эти емкости находились в соотношении примерно (4…6):1.

На микроконтроллер А2 возложены все остальные функции по обработке сигнала измерительного генератора вплоть до индикации. В данной схеме применен микроконтроллер AT90S2313-10PI производства фирмы ATMEL [8]. Это — 8-разрядный экономичный RISC однокристальный микроконтроллер. Он имеет на частоте 10 МГц производительность 10 MIPS. Содержит: 2 килобайта флэш-памяти, 128 байт EEPROM, 15 линий ввода/вывода, 32 рабочих регистра, два таймера/счетчика, сторожевой таймер, аналоговый компаратор, универсальный последовательный порт. Более подробно с семейством AVR микроконтроллеров можно познакомиться в Интернете на сайте производителя [8]. Для решения поставленной задачи выбранный микроконтроллер имеет достаточно высокие технические характеристики при сравнительно низкой цене.

Непосредственно к микросхеме микроконтроллера подключены как органы управления, так и органы индикации. Переменный резистор R6 регулирует чувствительность прибора. Светодиоды VD1-VD3 индицируют уровень отклонения частоты измерительного генератора в случае преобладания ферромагнитного эффекта. Светодиоды VD5…VD7 — в случае преобладания эффекта проводимости. Светодиод VD4 указывает на нулевой сдвиг частоты. Наушник или пьезоизлучатель Y предназначен для звуковой индикации отклонения частоты сигнала измерительного генератора. При помощи переключателя S1 задается режим работы прибора — статический или динамический. В статическом режиме сигнал, который представляет собой цифровой код разности частот, логарифмируется и сразу подается на индикацию. Каждый уровень световой индикации сопровождается своим тоном звуковой индикации.

Динамический режим предназначен для поиска мишеней на фоне помех от грунта, минералов и т.д. В динамическом режиме сигнал подвергается цифровой фильтрации, которая выделяет полезный сигнал на фоне мешающих сигналов. В данном приборе применена оптимальная согласованная фильтрация. Вкратце ее суть заключается в том, что для любого сигнала существует оптимальный фильтр, позволяющий получить максимальный отклик на своем выходе. Такой цифровой фильтр реализован для сигнала расстройки частоты, который возникает при движении поисковой катушки над мелкими мишенями со скоростью 0,5… 1 м/с. Фильтр реализован программно в микроконтроллере.
Разъем Х1 используется для подключения компьютера на этапе загрузки программы в микроконтроллер.

Типы деталей и конструкция:
Конструкция содержит минимальное количество деталей. При этом к ним не выдвигается особых требований. Микросхему таймера А1 (NE555) можно заменить на КР1006ВИ1. Светодиоды желательно выбирать с повышенной яркостью свечения. Стабилизатор A3 (LP2950) можно применить типа 1184ЕН1 или, что несколько хуже — 78L05. В последнем случае минимально допустимое напряжение батареи составит 6,7 В.

Микроконтроллер А2 впаивается непосредственно в печатную плату (так как занесение программы осуществляется через разъем, то нет необходимости вынимать его из платы даже при ее изменении), но при желании микроконтроллер можно установить и в панельку. Микросхему AT90S2313-10PI можно заменить на AT90S2313-10PC, однако, в этом случае фирма-производитель не гарантирует работу при температуре менее 0 °С (что вполне может быть в полевых условиях).

Резисторы могут быть применены самых разнообразных типов, на рассеиваемую мощность 0,063…0,25 Вт. Конденсаторы С1* и С2* — желательно использовать термостабильные, особенно С2*. Электролитический конденсатор С4 — любого типа. Остальные конденсаторы — керамические, типа К10-17. Кварцевый резонатор типов РГ-05, РК169, либо другой малогабаритный. Датчик — экранированная катушка. Конструкцию можно взять из данной книги.

Программное обеспечение:
Большинство функций прибора возложено на программу, выполняемую микроконтроллером и записанную (запрограммированную) в его энергонезависимую память. На момент написания этой главы был реализован следующий алгоритм работы прибора.

1. После старта программы, по нажатию кнопки SO, микроконтроллер грубо измеряет частоту измерительного генератора в течение фиксированного интервала времени (около нескольких десятков миллисекунд).

2. Затем один внутренний таймер микроконтроллера настраивается так, чтобы в результате деления входной частоты получался измеренный интервал Ти, немного меньший, чем указанный выше фиксированный интервал.

3. Далее производится контрольный замер измеренного интервала Ти с помощью второго таймера, на который подаются счетные импульсы с тактовой частотой несколько мегагерц.

4. Измеренное значение временного интервала Ти запоминается и в дальнейшем используется как эталонное Тэ.

5. В цикле повторяется измерение интервала Ти.

6. Производится сравнение интервалов Ти и Тэ путем вычитания одного из другого.

7. Полученный результат обрабатывается для удобного его восприятия с помощью световой и звуковой индикации.

Программное обеспечение для данного прибора создавалось и отлаживалось более двух лет и продолжает постоянно совершенствоваться, как и печатная плата. Возможно, на момент чтения вами этого текста предлагаемая конструкция и программное обеспечение уже претерпели существенные изменения. За последней информацией рекомендуем обратиться на персональную страничку Юрия Колоколова в Интернете [7], где содержится информация о новых функциональных возможностях.

Работа с прибором:
При замыкании переключателя S1 прибор переходит в статический режим. В этом режиме при приближении катушки к ферромагнитной мишени начинают последовательно загораться светодиоды VD3, VD2, VD1. Если катушку приближать к неферромагнитному металлическому объекту, то будут загораться светодиоды VD5, VD6, VD7.

К сожалению, таким же образом прибор реагирует на железные предметы с большой площадью поверхности (например, консервная банка). Это связано с тем, что при воздействии на поисковую катушку в металлических ферромагнитных объектах возникает сразу два эффекта [4, 6] -эффект проводимости и ферромагнитный эффект. При некотором соотношении площади поверхности объекта к объему начинает преобладать эффект проводимости.

В динамический режим прибор переходит при размыкании переключателя S1. В этом режиме металлоискатель обладает максимально возможной чувствительностью, но реагирует на предметы только при движении датчика -катушка должна перемещаться над грунтом со скоростью примерно 0,5… 1 м/с. Местонахождение объекта в динамическом режиме находится методом «артиллерийской вилки» при проведении катушки над объектом дважды — слева направо и справа налево. В этом режиме важно почувствовать наименьшую скорость, с которой можно перемещать катушку. Это легко осваивается при недолгой тренировке. Индикация в динамическом режиме выглядит немного иначе. При передвижении катушки над ферромагнитным объектом сначала загораются светодиоды из «шкалы» VD5, VD6, VD7, а затем из «шкалы» VD3, VD2, VD1. При передвижении катушки над неферромагнитным объектом индикация работает наоборот.

Как уже было указано выше, каждому светодиоду соответствует свой тон звуковой индикации. После непродолжительной работы с металлоискателем запоминаются «напевы», характерные для разных типов мишеней. Это позволяет при поисках пользоваться преимущественно звуковой индикацией, что довольно удобно.

Перед началом работы в обоих режимах необходимо выставить оптимальную чувствительность прибора с помощью переменного резистора R6. Он выставляется в такое положение, когда прибор начинает индицировать ложные отклики. Затем медленно вращая ротор этого резистора, необходимо добиться исчезновения ложных срабатываний.

Оригинал статьи: http://izmer-ls.ru/met/sche2-3.html

НЕТ КОММЕНТАРИЕВ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ