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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Metal detector a impulsi avanzato su microcircuiti. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / metal detector Come altri tipi di metal detector, i metal detector di tipo PI (Pulse Induction) vengono costantemente migliorati. Grazie all'utilizzo di nuove soluzioni circuitali è possibile ottenere una sensibilità ancora maggiore di questi dispositivi. Secondo l'autore, il design del dispositivo proposto è piuttosto complicato per la ripetizione da parte di radioamatori alle prime armi. Inoltre, potrebbero sorgere alcune difficoltà durante la regolazione di questo dispositivo. È necessario prestare particolare attenzione al fatto che errori durante l'installazione e un'impostazione errata del dispositivo possono portare al guasto di elementi costosi. Schema schematico Il diagramma schematico del metal detector a impulsi migliorato proposto può essere diviso in due parti, vale a dire: l'unità trasmittente e l'unità ricevente. Purtroppo il volume limitato di questo libro non ci consente di soffermarci nel dettaglio su tutte le caratteristiche delle soluzioni circuitali utilizzate per realizzare questo dispositivo. Pertanto, di seguito verranno considerate le basi del funzionamento solo dei nodi e delle cascate più importanti. Come già accennato, questo metal detector è una versione migliorata del dispositivo discusso nella sezione precedente di questo capitolo. Alcune modifiche hanno interessato il modulo di formazione e sincronizzazione degli impulsi, il trasmettitore e il convertitore di tensione. Lo schema a blocchi del ricevitore ha subito modifiche più significative (Fig. 3.18). L'unità trasmittente comprende un modulo di modellazione e sincronizzazione degli impulsi, il trasmettitore stesso e un convertitore di tensione.
Il componente principale dell'intero progetto è il modulo di modellazione e sincronizzazione degli impulsi, realizzato sul microprocessore IC1 di tipo AT89C2051 di ATMEL e che fornisce la formazione di impulsi per il trasmettitore, nonché segnali che controllano il funzionamento di tutte le altre unità. La frequenza operativa del microcontrollore IC1 è stabilizzata da un risuonatore al quarzo (6 MHz). Al valore specificato della frequenza operativa, il microprocessore genera una sequenza periodica di impulsi di controllo per i vari stadi del metal detector. Inizialmente, un impulso di controllo per il transistor T1 viene generato all'uscita di IC14 / 6 del microprocessore, dopo di che viene generato un impulso simile all'uscita di IC1 / 15 per il transistor T7. Questo processo viene quindi ripetuto ancora una volta. Di conseguenza, il convertitore di tensione si avvia. Inoltre, in sequenza sulle conclusioni di IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/17, IC1/16 e IC1/18 si formano gli impulsi di avvio del trasmettitore. In questo caso, questi impulsi hanno la stessa durata, ma ogni impulso successivo viene ritardato rispetto al precedente di diversi cicli. L'inizio del primo impulso generato sul pin IC1/8 coincide con la metà 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 dopo la fine dell'impulso sul pin IC1/18, viene generato un breve impulso stroboscopico per l'amplificatore dell'analizzatore sul pin IC1/2. A differenza del circuito precedentemente considerato, in questo dispositivo, dopo diversi cicli, sulla stessa uscita del microcontrollore si forma un secondo impulso stroboscopico. Inoltre le uscite del microprocessore IC1/12 e IC1/13 generano segnali di controllo per i transistor T31 e T32 dell'unità ricevente. La metà dell'impulso di controllo per il transistor T31 coincide con la metà del primo impulso di gate sul pin IC1/2, ma la larghezza dell'impulso sul pin IC1/12 è quasi il doppio. In questo caso l'impulso indicato ha polarità negativa. L'inizio del segnale dell'impulso di controllo sul pin IC1/13 coincide quasi con la metà del secondo impulso sul pin IC1/14 del microcontrollore, ma termina alcuni cicli dopo la fine del secondo impulso stroboscopico generato sul pin IC1/2 . Quindi, all'uscita di IC1 / 11, viene generato un segnale di controllo per il transistor T35 del circuito di segnalazione acustica dell'unità ricevitore. 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, fornisce la formazione di una tensione di alimentazione di +5 V, necessaria per alimentare le cascate della parte ricevente. I segnali di controllo per i transistor T7 e T8 vengono generati sui corrispondenti pin del microcontrollore IC1, mentre questo segnale viene alimentato al transistor T8 attraverso un convertitore di livello montato sul transistor T6. Inoltre, la tensione di alimentazione generata è stabilizzata dal microcircuito IC3, dalla cui uscita viene fornita la tensione di +5 V agli stadi del ricevitore. 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. Come nel metal detector considerato nella sezione precedente, l'impulso generato dal microprocessore IC1 secondo il programma memorizzato nella sua memoria viene alimentato attraverso l'interruttore all'ingresso del transistor T5 e successivamente, attraverso il transistor T4, all'uscita stadi del trasmettitore, realizzati sui transistor T1-T3, e quindi - alla bobina del ricetrasmettitore 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 dall'impulso del trasmettitore. La durata di queste correnti dipende dalla durata dell'impulso emesso dalla bobina L1. Le correnti superficiali sono la sorgente del segnale di impulso secondario, che viene ricevuto dalla bobina L1, amplificato e inviato al circuito di analisi. 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 del segnale dell'impulso secondario dipende dalle proprietà del materiale di cui è costituito l'oggetto metallico rilevato. L'elaborazione delle informazioni sulle differenze nei parametri degli impulsi emessi e ricevuti dalla bobina L1 fornisce la formazione di dati per l'unità di indicazione sulla presenza di un oggetto metallico. L'unità ricevente (Fig. 3.19) comprende un amplificatore del segnale di ingresso a due stadi, amplificatori di segnale esemplari, un amplificatore analizzatore, un filtro attivo a banda stretta, un filtro a bassa frequenza, un circuito di generazione della tensione di polarizzazione, circuiti di commutazione e un suono circuito di indicazione.
Il segnale proveniente da un oggetto metallico viene ricevuto dalla bobina L1 e attraverso un circuito di protezione realizzato sui diodi D1 e D2 viene alimentato a un amplificatore di feedback capacitivo a due stadi di ingresso realizzato sugli amplificatori operazionali IC31 e IC32. Dall'uscita del chip IC32 (pin IC32 / 6), il segnale dell'impulso amplificato viene alimentato all'amplificatore dell'analizzatore basato sul chip IC33. Durante il funzionamento del dispositivo, l'amplificatore IC33 è costantemente spento e la tensione di alimentazione gli viene fornita solo quando gli impulsi stroboscopici arrivano all'ingresso corrispondente (uscita IC33 / 8). Al termine della tensione di alimentazione all'uscita dell'amplificatore (pin IC33 / 5), per diversi secondi, viene mantenuto il livello del segnale ricevuto, fissato durante l'esposizione agli impulsi stroboscopici. Il tempo di ritenzione del livello del segnale dipende dalla capacità del condensatore C65. Pertanto, il segnale di impulso ricevuto viene applicato a un ingresso dell'amplificatore (pin IC33 / 3) e il corrispondente impulso di gate dal modulo di modellazione e sincronizzazione degli impulsi (pin IC33 / 8) viene fornito al secondo ingresso (pin IC64 / 1 ) attraverso i condensatori C2. Successivamente, il segnale selezionato passa attraverso un filtro attivo, realizzato sull'elemento IC34a e sintonizzato su una frequenza di 6 MHz. Per ottenere i parametri dei singoli elementi di questo filtro indicati nello schema elettrico, si consiglia di utilizzare il collegamento in parallelo di resistori e condensatori. Quindi, ad esempio, il valore della capacità del condensatore C67 (0,044 μF) indicato nello schema si ottiene collegando in parallelo due condensatori con una capacità di 0,022 μF ciascuno. Si tenga presente che qualora si utilizzi un elemento in quarzo Q1 con frequenza operativa diversa da 6 MHz è necessario ricalcolare i valori dei singoli elementi filtranti. Dall'uscita del filtro, il segnale viene alimentato a un rilevatore sincrono, all'ingresso del quale è installato un amplificatore invertente con guadagno 1, realizzato sull'elemento IC34b. Allo stesso tempo, chiudendo le corrispondenti coppie di contatti del microcircuito IC37 (terminali IC37 / 1,2 e IC37 / 3,4), viene commutato il segnale negativo fornito al circuito integratore con il condensatore C71. I segnali di controllo per il microcircuito IC37 sono formati da cascate realizzate sui transistor T31-T33. Dall'uscita del circuito integratore, il segnale dell'impulso passa all'ingresso dello stadio di amplificazione, che è realizzato sul chip IC35 e svolge contemporaneamente le funzioni di un filtro passa-basso. La caduta di tensione all'uscita dell'amplificatore operazionale (pin IC35 / 6) porta all'apertura del transistor T34 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 T35, nei telefoni si sentirà un segnale di frequenza audio. Il resistore R77 limita la corrente che scorre attraverso le cuffie BF1. Selezionandolo è possibile regolare il volume del segnale acustico. Il segnale proveniente dal pin IC35/6 viene inviato anche all'ingresso di un altro amplificatore operazionale (pin IC36/2), il cui compito è ripristinare il segnale di uscita. Il suo utilizzo è spiegato dal fatto che all'uscita del microcircuito IC33 si formerà un segnale di uscita variabile nel tempo anche in assenza di oggetti metallici nell'area di copertura della bobina di ricerca L1, quindi l'ampiezza del segnale risultante sarà diversa da zero. Con l'aiuto del resistore R86, una tensione di polarizzazione viene applicata all'ingresso del secondo stadio di amplificazione (pin IC32 / 2) proprio nel momento in cui arriva il primo impulso stroboscopico. Il livello richiesto di tensione di polarizzazione dipende dal livello del segnale di uscita sul pin IC35 / 6, la sua formazione è fornita dal circuito integratore C73, R78-R80 e dallo stadio amplificatore sul chip IC36. Il circuito di generazione della tensione di polarizzazione funziona solo durante la chiusura dei contatti corrispondenti del chip IC37 (IC37 / 9,8 pin). La durata di questo segmento temporale è di tre cicli. In questo caso, i segnali di controllo per il microcircuito IC37 provengono da cascate realizzate sui transistor T31-T33. Ciò garantisce il livellamento dei livelli dei segnali generati al momento dell'arrivo del primo e del secondo impulso di strobo. Premendo il pulsante S2, il tempo del processo di azzeramento può essere notevolmente ridotto. Dettagli e design Tutte le parti del dispositivo in esame (ad eccezione della bobina di ricerca L1, dell'interruttore P1, dell'interruttore S1 e del pulsante S2) si trovano su un circuito stampato (Fig. 3.20) con dimensioni di 95x65 mm, realizzato in un foglio a doppia faccia getinax o textolite.
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. Va notato che per raggiungere i parametri dei singoli elementi indicati sullo schema elettrico, è necessario utilizzare il collegamento parallelo di resistori e condensatori (Fig. 3.21). Sul circuito stampato è previsto spazio aggiuntivo per accogliere tali elementi.
I chip di tipo LF356 (IC31, IC32) possono essere sostituiti con LM318 o NE5534, tuttavia, a seguito di tale sostituzione, potrebbero sorgere problemi con lo stabilimento. Come amplificatore IC35, oltre al microcircuito di tipo IL071 indicato nello schema, è possibile utilizzare i microcircuiti CA3140, OP27 o OP37. Il chip tipo R061 (IC36) può essere facilmente sostituito dal CA3140. Come transistor T1-T3, oltre a quelli indicati nello schema elettrico, possono essere utilizzati transistor del tipo BU2508, BU2515 o ST2408. La frequenza operativa del risuonatore al quarzo dovrebbe essere di 6 MHz. È possibile utilizzare qualsiasi altro elemento al quarzo con una frequenza di risonanza compresa tra 2 e 6 MHz. Tuttavia, in questo caso sarà necessario ricalcolare i parametri degli elementi filtranti realizzati sull'elemento IC34a. 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. Il design di questa bobina non è praticamente diverso dal design della bobina di ricerca L1 utilizzata nel metal detector discusso nella sezione precedente. È realizzato 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 le correnti parassite aumenteranno ancora più velocemente, il che porterà a un deterioramento della sensibilità del dispositivo. Va ricordato che non è consigliabile utilizzare filo verniciato per la realizzazione della bobina L1, poiché la differenza di potenziale tra spire adiacenti durante l'emissione di un impulso raggiunge i 20 V. Se durante l'avvolgimento delle spire della bobina si verificano conduttori vicini, ad esempio la prima e la quinta spira, la rottura dell'isolamento è praticamente garantita. A sua volta, 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 consiglia 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 ricaricabile con una capacità di circa 1 Ah come fonte di alimentazione per B2, poiché la corrente consumata da questo metal detector supera i 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 l'interruttore P1, i connettori per le cuffie BF1 e la bobina L1, nonché l'interruttore S1 e il pulsante S2. Istituzione Questo dispositivo deve essere regolato 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'impostazione 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 l'alimentazione spenta. Prima di tutto, è necessario verificare la presenza e l'entità della tensione di alimentazione sui pin corrispondenti della presa del microcircuito IC1 in assenza di un microcontrollore. Se questa tensione è normale, è necessario installare 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 su questi pin 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 circa 50 mA. La tensione ai capi del condensatore C10 in assenza di carico non deve superare i 20 V. Quindi dovresti 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 il funzionamento degli stadi del trasmettitore, puoi tenere la bobina L1 vicino all'orecchio e accendere il metal detector. Circa mezzo secondo dopo (dopo aver ripristinato il microcontrollore), si sente un segnale di 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 controllata 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 di resistenza dello shunt della bobina L1, non è consigliabile utilizzare un resistore variabile, poiché anche una violazione a breve termine del contatto del motore con il binario portato da corrente può danneggiare i transistor di uscita del trasmettitore. Pertanto è opportuno modificare gradualmente il valore dello shunt con incrementi di 50 ohm. Prima di sostituire le parti, assicurarsi di spegnere l'alimentazione al dispositivo. Successivamente, puoi procedere con la configurazione della parte ricevente. Se tutte le parti sono in buone condizioni e l'installazione viene eseguita correttamente, dopo aver acceso il metal detector (circa 20 μs dopo la fine dell'impulso di avvio), è possibile osservare un segnale in aumento esponenziale utilizzando un oscilloscopio all'uscita di il microcircuito IC31 (pin IC31 / 6), trasformandosi in un segnale di livello costante. La distorsione del bordo di questo segnale viene eliminata selezionando i resistori R1, R2 e R3, deviando la bobina L1. Successivamente, dovresti controllare la forma e l'ampiezza del segnale all'uscita del chip IC32 (pin IC32 / 6). L'ampiezza massima di questo segnale viene impostata selezionando il valore del resistore R64. Nel processo di creazione della tensione di polarizzazione sul pin IC32 / 2 è possibile fornire un divisore di tensione separato, che può essere utilizzato come resistore variabile con un valore nominale di 5-50 kOhm, collegato, ad esempio, tra IC32 / 4,7 pin. Il cursore del potenziometro è collegato al resistore R86. All'uscita di IC33 (pin IC33/5) si può osservare un segnale rettangolare, la cui ampiezza è controllata da un potenziometro collegato temporaneamente. Successivamente, è necessario controllare i segnali sulle uscite degli elementi IC34a e IC34b. In questo caso le uscite di IC34/6,7 devono avere le sinusoidi corrette. Di conseguenza, sul condensatore C71 si forma una tensione costante, che viene alimentata all'ingresso del microcircuito IC35. Durante il processo di sintonizzazione, è possibile osservare la reazione del dispositivo a un cambiamento nella posizione del motore di un potenziometro collegato temporaneamente, dopo di che dovrebbe invece essere saldato il divisore R84, R85. Procedura di lavoro La procedura per lavorare con un rilevatore di oggetti metallici non differisce in modo significativo dall'utilizzo di un rilevatore di metalli discusso nella sezione precedente. Prima dell'uso pratico di questo metal detector, commutare P1 per impostare il ritardo minimo dell'impulso. Se durante il lavoro nell'area di azione della bobina di ricerca L1 è presente un oggetto metallico, nelle cuffie verrà visualizzato un segnale acustico. Il passaggio alla modalità operativa con un ritardo dell'impulso più lungo garantirà l'esclusione dell'influenza non solo delle proprietà magnetiche del terreno, ma eliminerà anche la reazione del dispositivo a tutti i tipi di oggetti estranei (chiodi arrugginiti, fogli di pacchetti di sigarette, ecc.) e la successiva inutile ricerca. Autore: Adamenko MV
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Commenti sull'articolo: Vladimir Caro, il motore di ricerca non sarà mai un ingegnere elettronico. Sono due in uno per due vite... ospite E dove posso trovare il firmware almeno per la vecchia versione? Senza di essa, è solo uno schema... ![[?]](https://diagram.com.ua/comments/smilies/query.gif){kind=small}
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