Це спільна розробка автора та інженера р. з Донецька (Україна) Юрія Колоколова (адресу його персональної сторінки в Інтернеті - http://home.skif.net/-yukol/index.htm), зусиллями якого вдалося втілити ідею у закінчений виріб на основі програмованого однокристального мікроконтролера. Ним розроблені конструкція і програмне забезпечення, а також проведені натурні випробування.
Незважаючи на простоту конструкції запропонованого металошукача за принципом частотомера, його виготовлення в домашніх умовах може виявитися скрутним із-за необхідності занесення в мікроконтроллер спеціальної програми. Це можна зробити, лише маючи відповідний досвід і програмно-апаратні засоби для роботи з мікроконтролером.
В даний час московською фірмою "Майстер Кит" освоєний випуск наборів для радіоаматорів для самостійної збірки описуваного металошукача. Набір містить друковану плату і електронні компоненти, включаючи вже запрограмований контролер. Можливо, для багатьох любителів пошуку скарбів і реліквій, придбання набору NM8041 (нумерація по каталогу фірми "Майстер Кит") і подальша його нескладна збірка, виявляться зручною альтернативою придбання дорогого промислового приладу або виготовлення металошукача повністю своїми силами.
Для тих же, хто відчуває впевненість в собі і готовий спробувати виготовити і запрограмувати мікропроцесорний металошукач, на персональній сторінці Юрія Колоколова в Інтернеті поміщений код ознайомлювальної версії прошивки контролера у форматі Intel Hex та інша корисна інформація. Дана версія прошивки відрізняється від повної версії, яка записана в мікроконтролери набору NM8041, відсутністю динамічного режиму та деяких інших можливостей.
Принцип дії розглянутого металошукача заснований на вимірюванні за допомогою електронного частотомера частоти генератора, контур якого входить датчик - котушка індуктивності. При цьому корисну інформацію несе не саме значення частоти, а її приріст, яке виникає при наближенні датчика до мішені, і знак цього приросту.
Металошукач володіє дальністю виявлення, приблизно в півтора рази більшою, ніж у прототипу на биениях. При цьому він володіє селективністю по металам. Малий споживаний струм і широкий діапазон можливих живлячих напружень дозволяє реалізувати широкий вибір варіантів підключення батарей елементів живлення або акумуляторів. Прилад автоматично підлаштовується під початкову частоту вимірювального генератора. При цьому, теоретично, значення частоти може перебувати в межах приблизно від 100 Гц до 200 кГц, що дає великі можливості також і для вибору конструкції датчика. За кількістю деталей пропонований металошукач не складніше, ніж металошукач на биениях. Цього вдалося досягти завдяки програмної реалізації більшості функцій в однокристалльном мікроконтролері.
Основні технічні характеристики
Структурна схема
Структурна схема металошукача, виконаного за принципом електронного частотомера, показана на рис. 12.
Рис. 12. Структурна схема металошукача за принципом частотомера
Власне, розглянутий металошукач складається тільки з вимірювального генератора і електронного частотомера. Структурна схема є радше, ілюстрацією до алгоритму його роботи.
А сам алгоритм роботи металошукача такий. Спочатку електронний частотомір вимірює частоту вимірювального генератора, коли датчик знаходиться далеко від металевих предметів і феромагнетиків. Це значення заноситься в запам'ятовувальний регістр. Потім, в реальному масштабі часу, частотомір вимірює частоту вимірювального генератора. З отриманих значень вираховується значення еталонної частоти і результат подається на пристрій індикації.
Принципова схема
Принципова схема металошукача зображена рис. 13.
Рис. 13. Принципова електрична схема металошукача за принципом електронного частотомера
Вимірювальний генератор побудований на інтегральному таймері А1 типу NE555 (вітчизняний аналог - К1006ВИ1). Ця мікросхема використовується в дещо незвичному включення - як LC-генератора. Коливальний контур генератора складається з конденсаторів С1*, С2* і котушки індуктивності датчика L. Резонансна частота визначається як для звичайного коливального контуру, при цьому в якості ємності контуру виступає ємність послідовно включених конденсаторів С1* С2*. При використанні типового датчика діаметром 180... 190 мм, що містить 100 витків дроту та ємностей конденсаторів С1* = 0,047 мкФ і С2* = 0,01 мкФ, частота генерації становить близько 20 кГц. При необхідності частоту генератора можна змінювати, змінюючи ємності конденсаторів С1* С2*. При цьому бажано, щоб ці ємності перебували у співвідношенні (4...6):1.
На мікроконтролер А2 покладені всі інші функції по обробці сигналу вимірювального генератора аж до індикації. В даній схемі застосований мікроконтролер AT90S2313-10PI виробництва фірми ATMEL. Це - 8-розрядний економічний RISC однокристальний мікроконтролер. Він має на частоті 10 МГц продуктивність 10 MIPS. Містить: 2 кілобайти флеш-пам'яті, 128 байт EEPROM, 15 ліній вводу/виводу, 32 робочих регістра, два таймера/лічильника, сторожовий таймер, аналоговий компаратор, універсальний послідовний порт. Для вирішення поставленої задачі вибраний мікроконтроллер має достатньо високі технічні характеристики порівняно низькою ціною.
Безпосередньо до мікросхеми мікроконтролера підключені як органи управління, так і органи індикації. Змінний резистор R6 регулює чутливість приладу. Світлодіоди VD1-VD3 индицируют рівень відхилення частоти вимірювального генератора у випадку переважання феромагнітного ефекту. Світлодіоди VD5...VD7 - у разі переважання ефекту провідності. Діод VD4 вказує на нульовий зсув частоти. Навушник або пьезоизлучатель Y призначений для звукової індикації відхилення частоти сигналу вимірювального генератора. За допомогою перемикача S1 задається режим роботи приладу - статичний або динамічний. У статичному режимі сигнал, який представляє собою цифровий код різниці частот, логарифмируется і відразу подається на індикацію. Кожен рівень світлової індикації супроводжується своїм тоном звукової індикації.
Динамічний режим призначений для пошуку мішеней на фоні завад від грунту, мінералів і т. д. В динамічному режимі сигнал піддається цифровій фільтрації, яка виділяє корисний сигнал на тлі заважаючих сигналів. В даному приладі застосована оптимальна узгоджена фільтрація. Коротко її суть полягає в те, що для будь-якого сигналу існує оптимальний фільтр, що дозволяє отримати максимальний відгук на своєму виході. Такий цифровий фільтр реалізований для сигналу расстройки частоти, який виникає при русі пошукової котушки над дрібними мішенями зі швидкістю 0,5... 1 м/с. Фільтр реалізований програмно в мікроконтролері.
Роз'єм Х1 використовується для підключення комп'ютера на етапі завантаження програми мікроконтролер.
Типи деталей і конструкція
Конструкція містить мінімальну кількість деталей. При цьому до них не висувається особливих вимог.
Мікросхему таймера А1 (NE555) можна замінити на КР1006ВИ1. Світлодіоди бажано вибирати з підвищеною яскравістю світіння. Стабілізатор A3 (LP2950) можна застосувати типу 1184ЕН1 або, що трохи гірше - 78L05. В останньому випадку мінімально допустима напруга батареї складе 6,7 В.
Мікроконтролер А2 упаюється безпосередньо в друковану плату (так як занесення програми здійснюється через роз'єм, то немає необхідності виймати його з плати навіть при її зміні), але при бажанні можна мікроконтролер встановити і в панельку. Мікросхему AT90S2313-10PI можна замінити на AT90S2313-10PC, однак, у цьому випадку фірма - виробник не гарантує роботу при температурі менше 0 °С (що цілком може бути в польових умовах).
Резистори можуть бути застосовані найрізноманітніших типів, на рассеиваемую потужність 0,063...0,25 Вт. Конденсатори С1* С2* - бажано використовувати термостабільні, особливо С2*. Електролітичний конденсатор С4 - будь-якого типу. Інші конденсатори - керамічні, типу К10-17. Кварцовий резонатор типів РГ-05, РК169, або інший малогабаритний. Датчик - екранована котушка. Конструкцію можна взяти з цієї книги.
Програмне забезпечення
Більшість функцій приладу покладено на програму, виконувану мікроконтролером і записану (запрограмовану) в його енергонезалежну пам'ять. На момент написання цього матеріалу був реалізований наступний алгоритм роботи приладу.
1. Після старту програми, по натисненню кнопки SO, мікроконтролер грубо вимірює частоту вимірювального генератора протягом фіксованого інтервалу часу (близько декількох десятків мілісекунд).
2. Потім один внутрішній таймер мікроконтролера налаштовується так, щоб у результаті ділення вхідної частоти виходив вимірюваний інтервал Ти, трохи менший, ніж зазначений вище фіксований інтервал.
3. Далі проводиться контрольний замір вимірюваного інтервалу Ти з допомогою другого таймера, на який подаються лічильні імпульси з тактовою частотою кілька мегагерц.
4. Виміряне значення часового інтервалу Ти запам'ятовується і надалі використовується як еталонне Те.
5. У циклі повторюється вимірювання інтервалу Ти.
6. Проводиться порівняння інтервалів Ти і Пе шляхом віднімання одного з іншого.
7. Отриманий результат обробляється для зручного його сприйняття з допомогою світлової і звукової індикації.
Програмне забезпечення для даного приладу створювалося і отлаживалось більше двох років і продовжує постійно вдосконалюватися, як і друкована плата. Можливо, на момент читання цього тексту пропонована конструкція і програмне забезпечення вже зазнали істотні зміни. За останньою інформацією рекомендуємо звернутися на персональну сторінку Юрія Колоколова в Інтернеті, http://home.skif.net/-yukol/index.htm, де міститься інформація про нових функціональних можливостях.
Робота з приладом
При замиканні перемикача S1 прилад переходить в статичний режим. У цьому режимі при наближенні котушки до феромагнітної мішені починають послідовно загорятися світлодіоди VD3, VD2, VD1. Якщо котушку наближати до неферромагнитному металевого об'єкту, то будуть загорятися світлодіоди VD5, VD6, VD7.
На жаль, таким же чином прилад реагує на залізні предмети з великою площею поверхні (наприклад, консервна банка). Це пов'язано з тим, що при впливі на пошукову котушку у феромагнітних металевих об'єктах виникає відразу два ефекти - ефект провідності і феромагнітний ефект. При деякому співвідношенні площі поверхні об'єкта до обсягу починає переважати ефект провідності.
В динамічний режим прилад переходить при розмиканні перемикача S1. У цьому режимі металошукач має максимально можливу чутливістю, але реагує на предмети тільки при русі датчика - котушка повинна переміщатися над грунтом зі швидкістю приблизно 0,5...1 м/с. Місцезнаходження об'єкта динамічному режимі знаходиться методом "артилерійської вилки" при проведенні котушки над об'єктом двічі - зліва направо і справа наліво. У цьому режимі важливо відчути найменшу швидкість, з якою можна переміщати котушку. Це легко освоюється при недовгою тренуванні. Індикація в динамічному режимі виглядає трохи інакше. При пересуванні котушки над феромагнітним об'єктом спочатку світлодіоди спалахують з "шкали" VD5, VD6, VD7, а потім з "шкали" VD3, VD2, VD1. При пересуванні котушки над неферромагнитным об'єктом індикація працює навпаки.
Як вже було зазначено вище, кожному світлодіоду відповідає свій звуковий тон індикації. Після нетривалої роботи з металошукачем запам'ятовуються "наспіви", характерні для різних типів мішеней. Це дозволяє при пошуках користуватися переважно звуковою індикацією, що досить зручно.
Перед початком роботи в обох режимах необхідно виставити оптимальну чутливість приладу за допомогою змінного резистора R6. Він виставляється в таке становище, коли прилад починає відображати помилкові відгуки. Потім повільно обертаючи ротор цього резистора, необхідно домогтися зникнення помилкових спрацьовувань.
Автор: Щедрін А. В.