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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Metal detector a impulsi. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / metal detector Il rilevatore di metalli a impulsi portato alla vostra attenzione è uno sviluppo congiunto dell'autore e dell'ingegnere di Donetsk (Ucraina) Yuri Kolokolov (indirizzo web - home.skif.net/~yukol/index.htm), che è riuscito a tradurre l'idea in un prodotto finito basato su un microcontrollore a chip singolo programmabile. Ha sviluppato il software, oltre a eseguire test su vasta scala e un ampio lavoro di debug. Attualmente, la ditta di Mosca "Master Kit" sta progettando di produrre kit per radioamatori per l'autoassemblaggio del metal detector descritto. Il kit conterrà il circuito stampato e i componenti elettronici, compreso il controller già programmato. Forse, per molti amanti della caccia al tesoro e delle reliquie, l'acquisto di un tale kit e il suo successivo semplice assemblaggio si rivelerà una comoda alternativa all'acquisto di un costoso dispositivo industriale o alla realizzazione di un metal detector completamente da soli. Per coloro che si sentono sicuri di sé e sono pronti a provare a realizzare e programmare un metal detector pulsato a microprocessore, sulla pagina personale di Yuri Kolokolov su Internet è disponibile una versione di prova del firmware del controller in formato Intel HEX e altre informazioni utili. Questa versione del firmware differisce dalla versione completa per l'assenza di alcune modalità di funzionamento del metal detector. Il principio di funzionamento di un metal detector a impulsi o correnti parassite si basa sull'eccitazione di correnti parassite pulsate in un oggetto metallico e sulla misurazione del campo elettromagnetico secondario che queste correnti inducono. In questo caso, il segnale di eccitazione viene fornito alla bobina di trasmissione del sensore non costantemente, ma periodicamente sotto forma di impulsi. Negli oggetti conduttori vengono indotte correnti parassite smorzate che eccitano un campo elettromagnetico smorzato. Questo campo, a sua volta, induce una corrente smorzata nella bobina di ricezione del sensore. A seconda delle proprietà conduttive e delle dimensioni dell'oggetto, il segnale cambia forma e durata. Sulla fig. 24. mostra schematicamente il segnale sulla bobina ricevente di un metal detector a impulsi.
I metal detector a impulsi hanno i loro vantaggi e svantaggi. I vantaggi includono una bassa sensibilità al suolo mineralizzato e all'acqua salata, gli svantaggi sono una scarsa selettività per tipo di metallo e un consumo energetico relativamente elevato. Design pratico I progetti più pratici di metal detector a impulsi sono costruiti su un circuito a due bobine o su un circuito a bobina singola con una fonte di alimentazione aggiuntiva. Nel primo caso, il dispositivo ha bobine di ricezione ed emissione separate, il che complica il design del sensore. Nel secondo caso, nel sensore è presente una sola bobina e per amplificare il segnale utile viene utilizzato un amplificatore, che viene alimentato da una fonte di alimentazione aggiuntiva. Il significato di questa costruzione è il seguente: il segnale di autoinduzione ha un potenziale maggiore del potenziale della sorgente di alimentazione, che viene utilizzata per fornire corrente alla bobina di trasmissione. Pertanto, per amplificare tale segnale, l'amplificatore deve disporre di una propria fonte di alimentazione, il cui potenziale deve essere superiore alla tensione del segnale da amplificare. Complica anche il circuito del dispositivo. Il design a bobina singola proposto è costruito secondo lo schema originale, che è privo degli inconvenienti di cui sopra. Principali caratteristiche tecniche
Profondità di rilevamento:
Nonostante la relativa semplicità del design del rilevatore di metalli a impulsi proposto, la sua fabbricazione in casa potrebbe essere difficile a causa della necessità di inserire un programma speciale nel microcontrollore. Questo può essere fatto solo se si dispone delle qualifiche appropriate e del software e dell'hardware per lavorare con il microcontrollore. Schema strutturale Lo schema a blocchi è mostrato in fig. 25 La base del dispositivo è un microcontrollore. Con il suo aiuto, vengono formati intervalli di tempo per controllare tutti i nodi del dispositivo, nonché l'indicazione e il controllo generale del dispositivo. Con l'aiuto di una potente chiave, l'energia viene pulsata nella bobina del sensore, quindi la corrente viene interrotta, dopodiché si verifica un impulso di autoinduzione, che eccita un campo elettromagnetico nel bersaglio.
Il "punto forte" dello schema proposto è l'uso di un amplificatore differenziale nello stadio di ingresso. Serve per amplificare il segnale, la cui tensione è superiore alla tensione di alimentazione, e legarlo a un certo potenziale (+5 V). Per un'ulteriore amplificazione viene utilizzato un amplificatore ricevente ad alto guadagno. Il primo integratore viene utilizzato per misurare il segnale utile. Durante l'integrazione diretta, il segnale utile viene accumulato sotto forma di tensione e durante l'integrazione all'indietro, il risultato viene convertito in durata dell'impulso. Il secondo integratore ha una grande costante di integrazione (240 ms) e serve a bilanciare il percorso di amplificazione rispetto alla corrente continua. Schema schematico Il diagramma schematico di un rilevatore di metalli a impulsi è mostrato in fig. 26 - amplificatore differenziale, amplificatore ricevente, integratori e un potente interruttore.
Sulla fig. 27 mostra il microcontrollore ei comandi e le indicazioni. Il design proposto è sviluppato interamente sulla base di componenti importati. Vengono utilizzati i componenti più comuni dei principali produttori. Puoi provare a sostituire alcuni elementi con quelli domestici, questo sarà discusso di seguito. La maggior parte degli elementi utilizzati non scarseggia e può essere acquistata nelle grandi città della Russia e della CSI tramite aziende che vendono componenti elettronici.
Una potente chiave è assemblata su un transistor ad effetto di campo VT1. Poiché il transistor ad effetto di campo applicato del tipo IRF740 ha una capacità di gate superiore a 1000 pF, viene utilizzato uno stadio preliminare sul transistor VT2 per chiuderlo rapidamente. La velocità di apertura di una chiave potente non è più così critica a causa del fatto che la corrente nel carico induttivo aumenta gradualmente. I resistori R1, R3 sono progettati per "estinguere" l'energia dell'autoinduzione. Il loro valore nominale è scelto per motivi di funzionamento sicuro del transistor VT1, oltre a garantire la natura aperiodica del processo transitorio nel circuito, che è formato dall'induttanza del sensore e dalla capacità parassita di interturn. I diodi di protezione VD1, VD2 limitano le cadute di tensione all'ingresso dell'amplificatore differenziale. L'amplificatore differenziale è assemblato sull'amplificatore operazionale D1.1. Il chip D1 è un amplificatore operazionale quadruplo tipo TL074. Le sue caratteristiche distintive sono l'alta velocità, il basso consumo, il basso livello di rumore, l'elevata impedenza di ingresso, nonché la capacità di lavorare a tensioni di ingresso vicine alla tensione di alimentazione. Queste proprietà ne hanno determinato l'uso in un amplificatore differenziale in particolare e nel circuito nel suo insieme. Il guadagno dell'amplificatore differenziale è di circa 7 ed è determinato dai valori dei resistori R3, R6-R9, R11. L'amplificatore ricevente D1.2 è un amplificatore non invertente con un guadagno di 56. Durante l'azione della parte ad alta tensione dell'impulso di autoinduzione, questo fattore viene ridotto a 1 utilizzando l'interruttore analogico D2.1. Ciò impedisce il sovraccarico del percorso di amplificazione in ingresso e fornisce un rapido ingresso nella modalità per amplificare un segnale debole. Il transistor VT3, così come il transistor VT4, sono progettati per abbinare i livelli dei segnali di controllo forniti dal microcontrollore agli interruttori analogici. Con l'aiuto del secondo integratore D1.3, il percorso di amplificazione in ingresso viene automaticamente bilanciato dalla corrente continua. La costante di integrazione di 240 ms è scelta abbastanza grande in modo che questo feedback non influisca sull'amplificazione del segnale utile che cambia rapidamente. Con questo integratore, l'uscita dell'amplificatore D1.2 viene mantenuta a +5 V in assenza di segnale. Il primo integratore di misura è realizzato su D1.4. Al momento dell'integrazione del segnale utile, il tasto D2.2 viene aperto e, di conseguenza, il tasto D2.4 viene chiuso. Sulla chiave D2.3 è implementato un invertitore logico. Terminata l'integrazione del segnale, il tasto D2.2 si chiude e il tasto D2.4 si apre. Il condensatore di accumulo C6 inizia a scaricarsi attraverso il resistore R21. Il tempo di scarica sarà proporzionale alla tensione che si stabilisce sul condensatore C6 al termine dell'integrazione del segnale utile. Questo tempo è misurato da un microcontrollore che esegue la conversione da analogico a digitale. Per misurare il tempo di scarica del condensatore C6, vengono utilizzati un comparatore analogico e timer, integrati nel microcontrollore D3. Con l'ausilio dei LED VD3...VD8 viene effettuata l'indicazione luminosa. Il pulsante S1 è destinato al ripristino iniziale del microcontrollore. Gli interruttori S2 e S3 impostano le modalità operative del dispositivo. Utilizzando un resistore variabile R29, viene regolata la sensibilità del metal detector. Algoritmo funzionante Per chiarire il principio di funzionamento del metal detector a impulsi descritto in fig. 28 mostra le forme d'onda dei segnali nei punti più importanti del dispositivo.
Al momento dell'intervallo A si apre il tasto VT1. Una corrente a dente di sega inizia a fluire attraverso la bobina del sensore - forma d'onda 2. Quando la corrente raggiunge circa 2 A, la chiave si chiude. Allo scarico del transistor VT1, si verifica un picco di tensione di autoinduzione - forma d'onda 1. L'entità di questo picco è superiore a 300 V (!) Ed è limitata dai resistori R1, R3. Per evitare il sovraccarico del percorso di amplificazione, vengono utilizzati i diodi limitatori VD1, VD2. Anche a questo scopo, per il tempo dell'intervallo A (accumulo di energia nella bobina) e dell'intervallo B (espulsione dell'autoinduzione), viene aperto il tasto D2.1. Ciò riduce il guadagno end-to-end del percorso da 400 a 7. L'oscillogramma 3 mostra il segnale all'uscita del percorso di amplificazione (pin 8 D1.2). A partire dall'intervallo C, la chiave D2.1 si chiude e il guadagno del percorso diventa grande. Dopo il completamento dell'intervallo di guardia C, durante il quale il percorso di amplificazione entra in modalità, il tasto D2.2 si apre e il tasto D2.4 si chiude - inizia l'integrazione del segnale utile - intervallo D. Dopo questo intervallo, il tasto D2.2 .2.4 si chiude e si apre il tasto D6 - inizia l'integrazione "inversa". Durante questo tempo (intervalli E ed F) il condensatore C1.0 è completamente scarico. Utilizzando il comparatore analogico incorporato, il microcontrollore misura il valore dell'intervallo E, che risulta essere proporzionale al livello del segnale utile in ingresso. Per la versione firmware XNUMX, sono impostati i seguenti valori di intervallo:
Il microcontrollore elabora i dati digitali ricevuti e indica il grado di impatto del bersaglio sul sensore utilizzando i LED VD3-VD8 e l'emettitore sonoro Y1. L'indicazione LED è un analogo di un indicatore a puntatore: in assenza di un bersaglio, il LED VD8 si accende, quindi, a seconda del livello di esposizione, VD7, VD6, ecc. Tipi di parti e design Invece dell'amplificatore operazionale D1 TL074N, puoi provare a utilizzare TL084N o due amplificatori operazionali doppi dei tipi TL072N, TL082N. Il chip D2 è una chiave analogica quadrupla del tipo CD4066, che può essere sostituita con un chip domestico K561KTZ. Il microcontrollore D4 AT90S2313-10PI non ha analoghi diretti. Il circuito non prevede circuiti per la sua programmazione in-circuit, quindi è consigliabile installare il controller su una presa in modo che possa essere riprogrammato. Lo stabilizzatore 78L05 può, in casi estremi, essere sostituito da KR142EN5A. Il transistor VT1 tipo IRF740 può essere sostituito da IRF840. I transistor VT2-VT4 tipo 2N5551 possono essere sostituiti da KT503 con qualsiasi indice di lettere. Tuttavia, dovresti prestare attenzione al fatto che hanno una piedinatura diversa. I LED possono essere di qualsiasi tipo, VD8 è desiderabile per assumere un colore di bagliore diverso. Diodi VD1, VD2 tipo 1N4148. I resistori possono essere di qualsiasi tipo, R1 e R3 devono avere una dissipazione di potenza di 0,5 W, il resto può essere di 0,125 o 0,25 W. È auspicabile selezionare R9 e R11 in modo che la loro resistenza differisca di non più del 5%. È preferibile utilizzare un resistore sintonizzato R7 multigiro. Il condensatore C1 è elettrolitico, per una tensione di 16 V, il resto dei condensatori è ceramico. È consigliabile prendere il condensatore C6 con un buon TKE. Il pulsante S1, gli interruttori S2-S4, il resistore variabile R29 possono essere di qualsiasi tipo che si adatti alle dimensioni. Come sorgente sonora, puoi utilizzare un emettitore piezoelettrico o cuffie dal lettore. Il design del corpo del dispositivo può essere arbitrario. L'asta vicino al sensore (fino a 1 m) e il sensore stesso non devono avere parti metalliche e dispositivi di fissaggio. È conveniente utilizzare una canna da pesca telescopica in plastica come materiale di partenza per la fabbricazione di una canna. Il sensore contiene 27 giri di filo con un diametro di 0,6 ... 0,8 mm, avvolto su un mandrino 190 mm. Il sensore non ha schermo e il suo fissaggio all'asta deve essere effettuato senza l'utilizzo di viti massicce, bulloni, ecc. (!) Altrimenti, la sua tecnologia di produzione può essere la stessa di un metal detector a induzione. Un cavo schermato non può essere utilizzato per collegare il sensore e l'unità elettronica a causa della sua elevata capacità. Per questi scopi è necessario utilizzare due fili isolati, ad esempio del tipo MGSHV, intrecciati tra loro. Configurazione del dispositivo Attenzione! Il dispositivo ha una tensione elevata, potenzialmente pericolosa per la vita, sul collettore VT1 e sul sensore. Pertanto, durante l'installazione e il funzionamento, è necessario osservare le misure di sicurezza elettrica. Si consiglia di configurare il dispositivo nella seguente sequenza: 1. Assicurarsi che l'installazione sia corretta. 2. Applicare l'alimentazione e assicurarsi che la corrente assorbita non superi i 100 (mA). 3. Usando la resistenza trimmer R7, ottenere un tale bilanciamento del percorso di amplificazione in modo che la forma d'onda al pin 7 D1.4 corrisponda alla forma d'onda 4 in fig. 28. In questo caso, è necessario garantire che il segnale alla fine dell'intervallo D sia invariato, ad es. la forma d'onda in questa posizione dovrebbe essere orizzontale. Un dispositivo correttamente assemblato non necessita di ulteriore configurazione. È necessario avvicinare il sensore a un oggetto metallico e assicurarsi che gli elementi indicatori funzionino. Una descrizione del funzionamento dei comandi è riportata nella descrizione del software. Software Al momento della stesura di questo documento, le versioni software 1.0 e 1.1 sono state sviluppate e testate. Il codice "firmware" della versione 1.0 in formato Intel HEX può essere trovato su Internet alla pagina personale di Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. La versione commerciale 1.1 del software è prevista per la consegna sotto forma di microcontrollori già programmati come parte dei kit prodotti da Master Kit. La versione 1.0 implementa le seguenti funzionalità:
La versione software 1.1 differisce in quanto consente di regolare la sensibilità del dispositivo utilizzando un resistore variabile R29. Continua il lavoro sulle nuove versioni del software, si prevede di introdurre modalità aggiuntive. Per il controllo delle nuove modalità sono riservati gli switch S1, S2. Le nuove versioni, dopo i loro numerosi test, saranno disponibili nei set "Master Kit". Le informazioni sulle nuove versioni saranno pubblicate su Internet sulla pagina personale di Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. Autore: Shchedrin AI
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Commenti sull'articolo: Dmitry Ciao! E perché è stato scelto il controller AT90S2313-10PI. (rivelatore di metalli) distingue tra metalli ferrosi e non ferrosi? Ho il desiderio di realizzare un metal detector sul controller STM32F030F4P6 (abbiamo 50 r / pc). Oppure su un collega più poliedrico, se non ci sono abbastanza gambe ... studio i principi di funzionamento ... A quanto ho capito, il compito del controller è il seguente: 1) Applicare tensione alla bobina (uscita T0) 2) Abilitare la protezione dell'amplificatore contro l'impulso inverso (T1) 3) Disabilitare la bobina e attendere lo smorzamento dell'impulso di autoinduzione 4) Disattivare la protezione dell'amplificatore (pin T1) e attivare l'elaborazione del segnale utile ( pin T2) 5) Accendere il timer 6) In caso di interruzione dal grilletto collegato al pin T3, prendere le letture del timer 7) Confrontare il valore con il riferimento e dare l'indicazione corrispondente. Grazie per l'utile articolo. Costruttore per educazione, ti chiedo di non prendermi a calci per imprecisioni. Questo sarà il 2° progetto che utilizza i controller e il 4° o 5° in assoluto dall'elettronica.
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