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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Rilevatore di metalli basato sul principio di un frequenzimetro elettronico. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / metal detector Questo è uno sviluppo congiunto dell'autore e ingegnere di Donetsk (Ucraina) Yuri Kolokolov (l'indirizzo della sua pagina personale su Internet è home.skif.net/-yukol/index.htm), grazie ai cui sforzi è stato possibile tradurre l'idea in un prodotto finito basato su un microcontrollore a chip singolo programmabile. Ha sviluppato il design e il software e ha anche effettuato test su vasta scala. Nonostante la semplicità del design del metal detector proposto basato sul principio di un frequenzimetro, la sua fabbricazione in casa può essere difficile a causa della necessità di inserire un programma speciale nel microcontrollore. Questo può essere fatto solo se si dispone dell'esperienza, dell'hardware e del software appropriati per lavorare con il microcontrollore. Attualmente, la società di Mosca "Master Kit" ha padroneggiato la produzione di kit per radioamatori per l'autoassemblaggio del metal detector descritto. Il kit contiene un circuito stampato e componenti elettronici, incluso un controller preprogrammato. Forse, per molti amanti della ricerca di tesori e reliquie, l'acquisto del kit NM8041 (numerato secondo il catalogo dell'azienda Master Kit) e il suo successivo semplice assemblaggio si rivelerà una conveniente alternativa all'acquisto di un costoso dispositivo industriale o alla realizzazione di un metal detector completamente da soli. Per coloro che si sentono sicuri e sono pronti a provare a realizzare e programmare un metal detector a microprocessore, la pagina personale di Yuri Kolokolov su Internet contiene il codice per una versione di valutazione del firmware del controller in formato Intel Hex e altre informazioni utili. Questa versione del firmware differisce dalla versione completa, registrata nei microcontrollori NM8041, in assenza di una modalità dinamica e di alcune altre funzionalità. Il principio di funzionamento del metal detector in questione si basa sulla misurazione della frequenza di un generatore mediante un frequenzimetro elettronico, il cui circuito include un sensore: una bobina di induttanza. In questo caso, le informazioni utili non sono fornite dal valore della frequenza stesso, ma dal suo incremento, che si verifica quando il sensore si avvicina al bersaglio, e dal segno di questo incremento. Il metal detector ha un raggio di rilevamento circa una volta e mezza maggiore di quello del prototipo battente. Allo stesso tempo, ha selettività per i metalli. Il basso consumo di corrente e un'ampia gamma di possibili tensioni di alimentazione consentono un'ampia gamma di opzioni per il collegamento di batterie o batterie. L'apparecchio si adatta automaticamente alla frequenza iniziale del generatore di misura. In questo caso, teoricamente, il valore della frequenza può essere compreso tra circa 100 Hz e 200 kHz, il che offre anche grandi opportunità per la scelta del design del sensore. In termini di numero di parti, il metal detector proposto non è più complicato di un metal detector battente. Ciò è stato ottenuto grazie all'implementazione software della maggior parte delle funzioni in un microcontrollore a chip singolo. Principali caratteristiche tecniche
Schema strutturale Lo schema a blocchi di un metal detector, realizzato secondo il principio di un frequenzimetro elettronico, è mostrato in Fig. 12.
In realtà il metal detector in questione è costituito esclusivamente da un generatore di misura e da un frequenzimetro elettronico. Il diagramma strutturale è, piuttosto, un'illustrazione dell'algoritmo del suo funzionamento. E l'algoritmo del metal detector stesso è il seguente. Innanzitutto un frequenzimetro elettronico misura la frequenza dell'oscillatore di misurazione quando il sensore è lontano da oggetti metallici e ferromagneti. Questo valore è memorizzato in un registro di archiviazione. Quindi, in tempo reale, il frequenzimetro misura la frequenza dell'oscillatore di misurazione. Il valore della frequenza di riferimento viene sottratto dai valori ottenuti e il risultato viene inviato al dispositivo indicatore. Schema schematico Il diagramma schematico del metal detector è mostrato in fig. 13.
Il generatore di misura è costruito su un timer integrato A1 tipo NE555 (analogico domestico - K1006VI1). Questo chip viene utilizzato in un modo alquanto insolito: come oscillatore LC. Il circuito oscillatorio del generatore è costituito dai condensatori C1*, C2* e dall'induttore del sensore L. La frequenza di risonanza è determinata come per un circuito oscillatorio convenzionale, mentre la capacità del circuito è la capacità dei condensatori C1* e C2 collegati in serie *. Quando si utilizza un tipico sensore con un diametro di 180...190 mm, contenente 100 spire di filo e condensatori C1* = 0,047 μF e C2* = 0,01 μF, la frequenza di generazione è di circa 20 kHz. Se necessario, la frequenza del generatore può essere modificata modificando la capacità dei condensatori C1* e C2*. In questo caso, è desiderabile che questi contenitori siano in un rapporto di circa (4...6):1. Il microcontrollore A2 è responsabile di tutte le altre funzioni per l'elaborazione del segnale del generatore di misura fino al display. Questo circuito utilizza il microcontrollore AT90S2313-10PI prodotto da ATMEL. Si tratta di un microcontrollore RISC a chip singolo economico a 8 bit. Ha una prestazione di 10 MIPS a 10 MHz. Contiene: 2 kilobyte di memoria flash, 128 byte di EEPROM, 15 linee I/O, 32 registri di lavoro, due timer/contatori, timer watchdog, comparatore analogico, porta seriale universale. Per risolvere il problema, il microcontrollore selezionato ha caratteristiche tecniche sufficientemente elevate ad un prezzo relativamente basso. Sia gli elementi di controllo che quelli di visualizzazione sono collegati direttamente al chip del microcontrollore. Il resistore variabile R6 regola la sensibilità del dispositivo. I LED VD1-VD3 indicano il livello di deviazione di frequenza del generatore di misura in caso di predominanza dell'effetto ferromagnetico. LED VD5...VD7 - in caso di predominanza dell'effetto conduttività. Il LED VD4 indica lo spostamento di frequenza zero. L'auricolare o emettitore piezoelettrico Y è destinato all'indicazione acustica della deviazione di frequenza del segnale del generatore di misurazione. Utilizzando l'interruttore S1, viene impostata la modalità operativa del dispositivo: statica o dinamica. In modalità statica il segnale, che è un codice digitale della differenza di frequenza, viene logaritmizzato e inviato immediatamente al display. Ogni livello di indicazione luminosa è accompagnato dal proprio tono di indicazione sonora. La modalità dinamica è progettata per cercare bersagli sullo sfondo di interferenze provenienti dal suolo, minerali, ecc. In modalità dinamica, il segnale è sottoposto a filtraggio digitale, che distingue il segnale utile dallo sfondo dei segnali interferenti. Questo dispositivo utilizza una filtrazione ottimale. In breve, la sua essenza è che per ogni segnale esiste un filtro ottimale che consente di ottenere la massima risposta alla sua uscita. Tale filtro digitale è implementato per un segnale di dissintonizzazione di frequenza che si verifica quando la bobina di ricerca si muove su piccoli bersagli ad una velocità di 0,5... 1 m/s. Il filtro è implementato nel software in un microcontrollore. Il connettore X1 viene utilizzato per collegare un computer nella fase di caricamento del programma nel microcontrollore. Tipi di parti e design Il progetto contiene un numero minimo di parti. Allo stesso tempo, non vengono imposti loro requisiti speciali. Il chip timer A1 (NE555) può essere sostituito con KR1006VI1. Si consiglia di scegliere LED con luminosità maggiore. Lo stabilizzatore A3 (LP2950) può essere utilizzato come 1184EN1 o, peggio ancora, 78L05. In quest'ultimo caso, la tensione minima consentita della batteria sarà di 6,7 V. Il microcontrollore A2 è saldato direttamente nel circuito stampato (poiché si accede al programma tramite il connettore, non è necessario rimuoverlo dalla scheda anche se viene cambiato), ma volendo il microcontrollore può essere installato anche nel PRESA. Il chip AT90S2313-10PI può essere sostituito con un AT90S2313-10PC, tuttavia, in questo caso, il produttore non garantisce il funzionamento a temperature inferiori a 0 °C (cosa che potrebbe verificarsi sul campo). I resistori possono essere utilizzati in un'ampia varietà di tipi, con una dissipazione di potenza di 0,063...0,25 W. Condensatori C1* e C2* - è consigliabile utilizzare quelli termicamente stabili, in particolare C2*. Condensatore elettrolitico C4 - qualsiasi tipo. I restanti condensatori sono ceramici, tipo K10-17. Risonatore al quarzo tipo RG-05, RK169, o altro di piccole dimensioni. Il sensore è una bobina schermata. Il disegno può essere preso da questo libro. Software La maggior parte delle funzioni del dispositivo sono assegnate a un programma eseguito dal microcontrollore e registrato (programmato) nella sua memoria non volatile. Al momento della stesura di questo materiale, è stato implementato il seguente algoritmo operativo del dispositivo. 1. Dopo l'avvio del programma, premendo il pulsante SO, il microcontrollore misura approssimativamente la frequenza del generatore di misura per un intervallo di tempo fisso (circa diverse decine di millisecondi). 2. Un timer interno del microcontrollore viene quindi regolato in modo che dividendo la frequenza di ingresso si ottenga un intervallo misurato Ti leggermente inferiore all'intervallo fisso specificato sopra. 3. Successivamente, viene eseguita una misurazione di controllo dell'intervallo misurato Ti utilizzando un secondo timer, al quale vengono forniti impulsi di conteggio con una frequenza di clock di diversi megahertz. 4. Il valore misurato dell'intervallo di tempo Ti viene ricordato e successivamente utilizzato come riferimento Te. 5. La misurazione dell'intervallo Ti viene ripetuta nel ciclo. 6. Gli intervalli Ti e Te vengono confrontati sottraendo uno dall'altro. 7. Il risultato ottenuto viene elaborato per una facile percezione utilizzando indicazioni luminose e sonore. Il software per questo dispositivo è stato creato e sottoposto a debug per più di due anni e continua a essere costantemente migliorato, così come il circuito stampato. È possibile che nel momento in cui leggi questo testo, il design e il software proposti abbiano già subito modifiche significative. Per le informazioni più recenti, ti consigliamo di visitare la pagina personale di Yuri Kolokolov su Internet, home.skif.net/-yukol/index.htm, che contiene informazioni sulle nuove funzionalità. Lavorare con il dispositivo Quando l'interruttore S1 è chiuso, il dispositivo entra in modalità statica. In questa modalità, quando la bobina si avvicina al bersaglio ferromagnetico, i LED VD3, VD2, VD1 iniziano ad accendersi in sequenza. Se la bobina viene avvicinata ad un oggetto metallico non ferromagnetico si accenderanno i led VD5, VD6, VD7. Purtroppo l'apparecchio reagisce allo stesso modo anche quando si stirano oggetti con una superficie ampia (ad esempio un barattolo di latta). Ciò è dovuto al fatto che quando la bobina di ricerca è esposta a oggetti metallici ferromagnetici, si verificano due effetti contemporaneamente: l'effetto di conduttività e l'effetto ferromagnetico. Ad un certo rapporto tra la superficie dell'oggetto e il suo volume, l'effetto di conduttività inizia a prevalere. Il dispositivo passa alla modalità dinamica quando l'interruttore S1 viene aperto. In questa modalità, il metal detector ha la massima sensibilità possibile, ma reagisce agli oggetti solo quando il sensore si muove: la bobina dovrebbe muoversi sopra il suolo ad una velocità di circa 0,5...1 m/s. La posizione di un oggetto in modalità dinamica viene determinata utilizzando il metodo della "forchetta d'artiglieria" facendo passare la bobina sull'oggetto due volte: da sinistra a destra e da destra a sinistra. In questa modalità è importante percepire la velocità più bassa alla quale è possibile spostare la bobina. Questo è facile da padroneggiare con un po' di pratica. Il display in modalità dinamica appare leggermente diverso. Quando la bobina si muove su un oggetto ferromagnetico, si accendono prima i LED della “scala” VD5, VD6, VD7 e poi della “scala” VD3, VD2, VD1. Quando si sposta la bobina su un oggetto non ferromagnetico, l'indicazione funziona al contrario. Come accennato in precedenza, ogni LED ha il proprio tono di indicazione sonora. Dopo un breve periodo di lavoro con il metal detector, vengono ricordate le “melodie” caratteristiche dei diversi tipi di target. Ciò consente di utilizzare principalmente l'indicazione sonora durante la ricerca, il che è abbastanza conveniente. Prima di iniziare a lavorare in entrambe le modalità, è necessario impostare la sensibilità ottimale del dispositivo utilizzando il resistore variabile R6. È impostato su una posizione in cui il dispositivo inizia a visualizzare risposte false. Quindi, ruotando lentamente il rotore di questo resistore, è necessario assicurarsi che i falsi allarmi scompaiano. Autore: Shchedrin AI
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