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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Un semplice metal detector a impulsi su microcircuiti. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / metal detector Recentemente, sono diventati relativamente diffusi i metal detector pulsati del tipo PI (Puls Induction), in cui il fenomeno della comparsa di correnti parassite superficiali in un oggetto metallico sotto l'influenza di un campo elettromagnetico esterno viene utilizzato per valutare la presenza di oggetti metallici nell'area di ricerca. Nei metal detector di tipo PI, un segnale pulsato viene applicato ad una bobina trasmittente in cui viene avviato un campo elettromagnetico alternato. Quando un oggetto metallico appare nella zona di azione di questo campo, sulla sua superficie compaiono periodicamente correnti parassite sotto l'influenza di un segnale a impulsi. Queste correnti sono la sorgente del segnale secondario, che viene ricevuto dalla bobina ricevente. A causa del fenomeno dell'autoinduzione, la forma del segnale secondario sarà diversa dalla forma dell'impulso emesso dalla bobina trasmittente. In questo caso le differenze nei parametri del segnale dell'impulso secondario vengono utilizzate per l'analisi con la successiva generazione di dati per l'unità di visualizzazione. In tutti i metal detector pulsati conosciuti dall'autore, viene valutata la variazione della forma del bordo d'uscita dell'impulso secondario. Il dispositivo in questione utilizza un microprocessore con software apposito. Sfortunatamente, al momento della pubblicazione di questo libro, non era possibile pubblicare una versione funzionante al 100% del firmware. Pertanto, i lettori interessati e preparati hanno l'opportunità di mettere alla prova la propria forza nella creazione di firmware per un microcontrollore. L'autore non dubita per un secondo che gli artigiani russi affronteranno questo compito con onore. Tuttavia, secondo l'autore, il progetto del metal detector proposto è piuttosto complesso da replicare per i radioamatori principianti. Vale anche la pena menzionare le difficoltà che sorgono durante la regolazione di questo dispositivo. È necessario prestare particolare attenzione al fatto che errori di installazione e una configurazione errata del dispositivo possono portare al guasto di elementi costosi. Schema schematico Il diagramma schematico del semplice metal detector a impulsi proposto può essere diviso in due parti, vale a dire: un blocco trasmettitore e un blocco ricevitore. Purtroppo lo spazio limitato di questo libro non ci consente di soffermarci nel dettaglio su tutte le caratteristiche delle soluzioni circuitali utilizzate per realizzare questo dispositivo. Pertanto, considereremo ulteriormente le basi del funzionamento solo dei nodi e delle cascate più importanti. Il blocco trasmettitore (Fig. 3.14) comprende un modulo di generazione e sincronizzazione degli impulsi, il trasmettitore stesso e un convertitore di tensione.
Il componente principale dell'intero progetto è il modulo di generazione e sincronizzazione degli impulsi, realizzato su un microprocessore IC1 tipo AT89C2051 di ATMEL e che fornisce la generazione di impulsi per il trasmettitore, nonché segnali che controllano il funzionamento di tutti gli altri blocchi. La frequenza operativa del microcontrollore IC1 è stabilizzata da un risuonatore al quarzo (3,5 MHz). Alla frequenza operativa specificata, il microprocessore genera una sequenza periodica di impulsi di controllo per le varie fasi del metal detector. Questa sequenza è composta da 250 cicli di clock di 9 µs ciascuno. Inizialmente, viene generato un impulso di controllo sul pin IC1/14 del microprocessore per il transistor T6, dopodiché viene generato un impulso simile sul pin IC1/15 per il transistor T7. Questo processo viene quindi ripetuto ancora una volta. Di conseguenza, il convertitore di tensione si avvia. Successivamente, gli impulsi di trigger del trasmettitore vengono generati in sequenza sui pin IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/16, IC1/17, IC1/19 e IC1/18. In questo caso questi impulsi hanno la stessa durata, ma ogni impulso successivo è ritardato rispetto al precedente di diversi cicli di clock. L'inizio del primo impulso generato sul pin IC1/8 coincide con la fine del secondo impulso sul pin IC1/15. Utilizzando l'interruttore P1 è possibile selezionare il tempo di ritardo dell'impulso di avvio del trasmettitore rispetto all'impulso di avvio. Alcuni cicli di clock dopo la fine dell'impulso sul pin IC1/18, viene formato un breve impulso di comando per uno dei canali dell'analizzatore sul pin IC1/3. Successivamente sul pin IC1/9 viene generato un impulso simile destinato al secondo canale dell'analizzatore. Successivamente viene generato un segnale di controllo sul pin IC1/11 per il transistor T10 del circuito di segnalazione acustica dell'unità ricevente. Quindi, dopo una breve pausa, si forma nuovamente la sequenza degli impulsi di controllo sulle corrispondenti uscite del microcontrollore. La tensione di alimentazione +5 V, precedentemente stabilizzata da IC2, è applicata al pin IC1/20 del microcontrollore. Il convertitore di tensione, realizzato sui transistor T6-T8 e sullo stabilizzatore IC3, garantisce la formazione di una tensione di alimentazione bipolare di 12 V, necessaria per alimentare le cascate della parte ricevente. I segnali di controllo per i transistor T7 e T8 vengono generati sui pin corrispondenti del microcontrollore IC1. In questo caso, questo segnale viene fornito al transistor T8 attraverso un convertitore di livello montato sul transistor T6. Successivamente, la tensione di alimentazione generata viene stabilizzata dal microcircuito IC3, dalla cui uscita viene fornita una tensione di +12 V alle cascate della parte ricevente. Gli stadi di uscita del trasmettitore sono realizzati sui potenti transistor T1, T2 e T3, funzionanti su un carico comune, ovvero la bobina L1, derivata da una catena di resistori R1-R6. Il funzionamento dei transistor dello stadio di uscita è controllato dal transistor T4. Il segnale di controllo alla base del transistor T4 viene fornito dalla corrispondente uscita del processore IC1 attraverso il transistor T5. L'impulso generato dal microprocessore IC1 secondo il programma memorizzato nella sua memoria viene alimentato attraverso un interruttore all'ingresso del transistor T5 e quindi, attraverso il transistor T4, agli stadi di uscita del trasmettitore, realizzati sui transistor T1-T3, e quindi alla bobina di trasmissione-ricezione L1. Quando un oggetto metallico appare nell'area di copertura della bobina L1, le correnti superficiali parassite vengono eccitate sulla sua superficie sotto l'influenza di un campo elettromagnetico esterno avviato da un impulso del trasmettitore. La durata di queste correnti dipende dalla durata dell'impulso emesso dalla bobina L1. A loro volta, le correnti superficiali sono fonte di un segnale impulsivo secondario, che con un opportuno ritardo viene ricevuto dalla bobina L1, amplificato e alimentato al circuito di analisi. È da notare che a causa del fenomeno dell'autoinduzione, la durata del segnale secondario sarà maggiore della durata dell'impulso emesso dalla bobina trasmittente. In questo caso, la forma dell'impulso secondario dipende dalle proprietà del metallo di cui è composto l'oggetto rilevato. L'elaborazione delle informazioni sulle differenze nei parametri degli impulsi emessi e ricevuti dalla bobina L1 garantisce la generazione di dati per l'unità di indicazione sulla presenza di un oggetto metallico. Nel metal detector in esame vengono utilizzati per l'analisi i parametri del fronte di uscita del segnale dell'impulso secondario. Il blocco ricevitore (Fig. 3.15) comprende un amplificatore del segnale di ingresso a due stadi, un analizzatore e un circuito di indicazione audio.
Il segnale proveniente dall'oggetto metallico viene ricevuto dalla bobina L1 e, attraverso un circuito di protezione costituito dai diodi D1 e D2, viene alimentato all'amplificatore di feedback capacitivo a due stadi di ingresso costituito dagli amplificatori operazionali IC4 e IC5. Dall'uscita del microcircuito IC5 (pin IC5/6), il segnale dell'impulso amplificato viene alimentato al circuito analizzatore, realizzato sui microcircuiti IC6-IC8. Gli amplificatori IC6 e IC7 sono costantemente spenti durante il funzionamento del dispositivo e la tensione di alimentazione viene loro fornita solo quando vengono ricevuti impulsi di gate sugli ingressi corrispondenti (pin IC6/8 e IC7/8), la durata di ciascuno dei quali è 9 μs (un ciclo di clock). In questo caso, un impulso stroboscopico viene fornito all'amplificatore IC6, ritardato rispetto alla fine dell'impulso di trigger del trasmettitore selezionato di 30-100 μs, e all'amplificatore IC7 - ritardato rispetto alla fine del primo impulso stroboscopico di 200 μs. La necessità di un tale ritardo è spiegata dal fatto che la forma del segnale ricevuto dipende dall'influenza di molti fattori estranei, quindi il segnale utile può essere osservato solo in un intervallo di circa 400 μs dopo la fine dell'impulso. In questo caso un segnale utile è un aumento della tensione positiva quando la bobina L1 si avvicina ad un oggetto metallico a causa dell'aumento della durata del fronte di discesa dell'impulso secondario rispetto all'impulso emesso. Dopo aver applicato la tensione di alimentazione, il livello del segnale ricevuto registrato durante l'esposizione agli impulsi stroboscopici viene mantenuto per diversi secondi sulle uscite di ciascun amplificatore (microcircuiti IC6 e IC7). Pertanto, il segnale di impulso ricevuto viene fornito a uno degli ingressi del corrispondente amplificatore (pin IC6/3 e IC7/3) e il corrispondente impulso stroboscopico dal modulo di generazione e sincronizzazione degli impulsi (pin IC6/8 e IC7/8). I segnali generati alle uscite dei microcircuiti IC6 e IC7 (pin IC6/5 e IC7/5) vengono quindi inviati agli ingressi corrispondenti di un amplificatore differenziale realizzato sul chip IC8. In questo caso, il segnale dall'uscita dell'amplificatore IC6 passa attraverso un resistore variabile R45, con l'aiuto del quale viene regolata la sensibilità del dispositivo. Se nel raggio d'azione del metal detector si trova un oggetto metallico, i livelli del segnale sugli ingressi corrispondenti dell'amplificatore differenziale (pin IC8/2 e IC8/3) saranno gli stessi. Di conseguenza, l'uscita di questo amplificatore (pin IC8/6) sarà bassa. La caduta di tensione all'uscita dell'amplificatore IC8 porta all'apertura del transistor T9 e al collegamento al filo comune delle cuffie BF1. Quando viene ricevuto un segnale di controllo dall'uscita corrispondente del microcontrollore (pin IC1/11) al transistor T10, nei telefoni si sentirà un segnale di frequenza audio. Il resistore R44 limita la corrente che scorre attraverso le cuffie BF1. Selezionandolo è possibile regolare il volume del segnale acustico. Questo metal detector è alimentato dalla sorgente B1 con una tensione di 12 V. Dettagli e design Tutte le parti del dispositivo in questione (ad eccezione della bobina di ricerca L1, del resistore R45, dell'interruttore P1 e dell'interruttore S1) si trovano su un circuito stampato di 105x65 mm (Fig. 3.16), realizzato in foglio biadesivo getinax o testolite.
Non ci sono requisiti speciali per le parti utilizzate in questo dispositivo. Si consiglia di utilizzare condensatori e resistori di piccole dimensioni che possano essere posizionati senza problemi su un circuito stampato (Fig. 3.17).
Un chip come LF357 (IC4) può essere sostituito con un LM318 o NE5534, ma tale sostituzione potrebbe causare problemi di installazione. Oltre al microcircuito di tipo LF5 indicato nello schema, è possibile utilizzare il microcircuito CA356 come amplificatore IC3140. Chip come LF398 (IC6, IC7) possono essere facilmente sostituiti con MAC198. Invece dell'amplificatore CA3140 (IC8), puoi utilizzare il chip TL071. Come transistor T1-T3, oltre a quelli indicati sullo schema elettrico, è possibile utilizzare transistor come BU2508, BU2515 o ST2408. La frequenza operativa del risuonatore al quarzo dovrebbe essere 3,5 MHz. È comunque possibile utilizzare qualsiasi altro elemento al quarzo con frequenza di risonanza compresa tra 2 e 6 MHz. Per montare il microprocessore IC1, utilizzare una presa speciale. In questo caso, il microcontrollore viene installato sulla scheda solo dopo aver completato tutti i lavori di installazione. Questa condizione deve essere rispettata anche quando si eseguono lavori di regolazione relativi alla saldatura quando si selezionano i valori dei singoli elementi. Particolare attenzione dovrebbe essere prestata alla fabbricazione della bobina L1, la cui induttanza dovrebbe essere 500 μH. La bobina L1 è realizzata sotto forma di un anello con un diametro di 250 mm e contiene 30 spire di filo con un diametro non superiore a 0,5 mm. Quando si utilizza un filo di diametro maggiore, la corrente nella bobina aumenterà, ma i valori delle correnti parassite aumenteranno ancora più velocemente, il che porterà ad un deterioramento della sensibilità del dispositivo. Non è consigliabile utilizzare filo verniciato per realizzare una bobina, poiché la differenza di potenziale tra spire adiacenti quando viene emesso un impulso raggiunge 20 V. Se, durante l'avvolgimento delle spire della bobina, si trovano conduttori vicini, ad esempio il primo e il quinto giri, la rottura dell'isolamento è praticamente garantita. Ciò può portare al guasto dei transistor del trasmettitore e di altri elementi. Pertanto, il filo utilizzato nella fabbricazione della bobina L1 deve essere isolato almeno in PVC. Si raccomanda inoltre che la bobina finita sia ben isolata. Per fare ciò, è possibile utilizzare resina epossidica o vari riempitivi in schiuma. La bobina L1 deve essere collegata alla scheda mediante un filo bipolare ben isolato, il cui diametro di ciascun nucleo non deve essere inferiore al diametro del filo di cui è composta la bobina stessa. Non è consigliabile utilizzare il cavo coassiale a causa della sua significativa capacità intrinseca. La fonte dei segnali sonori può essere una cuffia con un'impedenza compresa tra 8 e 32 ohm o un piccolo altoparlante con un'impedenza della bobina simile. Si consiglia di utilizzare una batteria con una capacità di circa 1 A/h come fonte di alimentazione per B2, poiché la corrente consumata da questo metal detector è di almeno 200 mA. Il circuito stampato con gli elementi su di esso alloggiati e l'alimentatore sono collocati in un eventuale alloggiamento idoneo. Sul coperchio dell'alloggiamento sono installati un resistore variabile R45, un interruttore P1, connettori per il collegamento delle cuffie BF1 e una bobina L1, nonché un interruttore S1. Istituzione Questo dispositivo deve essere installato in condizioni in cui eventuali oggetti metallici vengono rimossi dalla bobina di ricerca L1 ad una distanza di almeno 1,5 m. La particolarità dell'installazione e della regolazione del metal detector in questione è che i suoi singoli blocchi e cascate vengono collegati gradualmente . In questo caso ogni operazione di connessione (saldatura) viene eseguita con la fonte di alimentazione spenta. Prima di tutto, è necessario verificare la presenza e l'entità della tensione di alimentazione sui contatti corrispondenti della presa del microcircuito IC1 in assenza di un microcontrollore. Se la tensione di alimentazione è normale, è necessario installare successivamente un microprocessore sulla scheda e utilizzare un frequenzimetro o un oscilloscopio per controllare il segnale sui pin IC1/4 e IC1/5. La frequenza del segnale pilota sui pin specificati deve corrispondere alla frequenza operativa del risuonatore al quarzo utilizzato. Dopo aver collegato i transistor del convertitore di tensione (senza carico), il consumo di corrente dovrebbe aumentare di 50 mA. La tensione sul condensatore C10 in assenza di carico dovrebbe essere di circa 20 V. Quindi è necessario collegare gli stadi del trasmettitore. Le modalità operative dei transistor T1-T4 devono essere le stesse e vengono impostate selezionando i valori dei resistori R13-R16. La resistenza della bobina L1, deviata dai resistori R1-R3, dovrebbe essere di circa 500 ohm. In questo caso, le conclusioni della bobina e dei resistori devono essere ben saldate, poiché un guasto del contatto in questo circuito comporta il guasto dei transistor di uscita del trasmettitore. Per verificare la funzionalità delle cascate del trasmettitore, è possibile tenere la bobina L1 vicino all'orecchio e accendere il metal detector. Dopo circa mezzo secondo (dopo aver azzerato il microcontrollore), è possibile ascoltare un segnale a tono basso, la cui comparsa è dovuta alla microvibrazione delle singole spire della bobina. In questo caso, sui collettori dei transistor T1-T3 si formerà un impulso appuntito non modulato con una durata di circa 10-20 μs, la cui forma può essere monitorata utilizzando un oscilloscopio. Un aumento della resistenza dei resistori R1-R3 porta ad un aumento dell'ampiezza dell'impulso di uscita con una diminuzione della sua durata. Per selezionare il valore della resistenza di shunt della bobina L1, non è consigliabile utilizzare un resistore variabile, poiché anche un'interruzione a breve termine del contatto del motore con il percorso conduttivo può portare al guasto dei transistor di uscita del trasmettitore . Pertanto è consigliabile modificare gradualmente il valore dello shunt con incrementi di 50 ohm. Prima di sostituire le parti, l'alimentazione al dispositivo deve essere interrotta. Successivamente, puoi iniziare a configurare la parte ricevente. Se tutte le parti sono in buone condizioni e l'installazione è stata eseguita correttamente, dopo aver acceso il metal detector (circa 20 μs dopo la fine dell'impulso di avvio), all'uscita del microcircuito IC4 (pin IC4/6), utilizzando un oscilloscopio, è possibile osservare un segnale che aumenta esponenzialmente, trasformandosi in un segnale a livello costante. La distorsione della parte anteriore di questo segnale viene eliminata selezionando i resistori R1-R3, bobina di smistamento L1. Successivamente, dovresti controllare la forma e l'ampiezza del segnale all'uscita del chip IC5 (pin IC5/6). L'ampiezza massima di questo segnale viene impostata selezionando il valore del resistore R36. All'uscita del chip IC6 (pin IC6/5), deve essere generato un segnale costante, a seconda dell'impulso selezionato tramite l'interruttore P1, nonché della presenza di oggetti metallici nel raggio della bobina L1. Idealmente, questo segnale dovrebbe essere vicino allo zero in tutte le posizioni dell'interruttore P1. In conclusione resta da stabilire correttamente la posizione dell'impulso di misura di riferimento rispetto all'impulso di partenza. Per fare ciò è sufficiente selezionare la frequenza operativa appropriata selezionando il risuonatore al quarzo Q1. Procedura di lavoro Prima dell'uso pratico di questo metal detector, è necessario impostare il ritardo minimo dell'impulso con l'interruttore P1 e la sensibilità massima con il resistore R45. Se durante il funzionamento si trova un oggetto metallico nel raggio d'azione della bobina di ricerca L1, nelle cuffie verrà emesso un segnale acustico. Va notato che il passaggio a una modalità operativa con un ritardo dell'impulso più lungo eliminerà l'influenza non solo delle proprietà magnetiche del terreno, ma eliminerà anche la reazione del dispositivo a tutti i tipi di oggetti estranei (chiodi arrugginiti, lamine di pacchetti di sigarette, ecc.) e successive inutili perquisizioni. Autore: Adamenko MV
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Commenti sull'articolo: vad La lingua non si trasforma per chiamare questo dispositivo semplice. Poi Clone, Tracker... i chtoli più semplici?? Il più semplice è con il gene su NE555 e un K157UD2 a 20 cm per nichel.
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