Пропонований вашій увазі імпульсний металошукач є спільною розробкою автора та інженера р. з Донецька (Україна) Юрія Колоколова (адреса в Інтернеті - http://home.skif.net/~yukol/index.htm), зусиллями якого вдалося втілити ідею у закінчений виріб на основі програмованого однокристального мікроконтролера. Ним розроблено програмне забезпечення, а також проведені натурні випробування і велика робота по налагодженню.
В даний час московською фірмою "Майстер Кит" планується випуск наборів для радіоаматорів для самостійної збірки описуваного металошукача. Набір буде містити друковану плату і електронні компоненти, включаючи вже запрограмований контролер. Можливо, для багатьох любителів пошуку скарбів і реліквій придбання такого набору і подальша його нескладна збірка виявляться зручною альтернативою придбання дорогого промислового приладу або виготовлення металошукача повністю своїми силами.
Для тих, хто відчуває впевненість в собі і готовий спробувати виготовити і запрограмувати мікропроцесорний імпульсний 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 відсутністю деяких режимів роботи металошукача.
Принцип дії імпульсного або вихрострумового металошукача заснований на порушення в металевому об'єкті імпульсних вихрових струмів і вимірі вторинного електромагнітного поля, яке наводять ці струми. В цьому випадку збудливий сигнал подається в передавальну котушку датчика не постійно, а періодично у вигляді імпульсів. В провідних об'єктах наводяться затухаючі вихрові струми, які збуджують затухающее електромагнітне поле. Це поле, свою чергу, наводить в приймальній котушці датчика затухаючий струм. Залежно від провідних властивостей і розміру об'єкта, сигнал змінює свою форму і тривалість. На рис. 24. схематично показаний сигнал на приймальній котушці імпульсного металошукача.
Рис. 24. Сигнал на вході імпульсного металошукача. Осцилограма 1 - сигнал у відсутності металевих мішеней; осцилограма 2 - сигнал при знаходженні поблизу датчика металевого об'єкта
Імпульсні металошукачі мають свої переваги і недоліки. До переваг відноситься мала чутливість до минерализованному грунту і солоній воді, до недоліків - погана селективність за типом металу і порівняно велике споживання енергії.
Практична конструкція
Більшість практичних конструкцій імпульсних металошукачів будуються або за двухкатушечной схемою, або за однокатушечной схемою з додатковим джерелом живлення. У першому випадку прилад має роздільні приймальні і випромінюючу котушки, що ускладнює конструкцію датчика. У другому разі котушка в датчику одна, а для підсилення корисного сигналу використовується підсилювач, який живиться від додаткового джерела живлення. Сенс такого побудови полягає в наступному - сигнал самоіндукції має більш високий потенціал, ніж потенціал джерела живлення, який використовується для подачі струму в передавальну котушку. Тому для посилення такого сигналу підсилювач повинен мати власний джерело живлення, потенціал якого повинен бути вище напруги підсилюваного сигналу. Це також ускладнює схему приладу.
Пропонована однокатушечная конструкція побудована за оригінальною схемою, яка позбавлена наведених вище недоліків.
Основні технічні характеристики
- Напруга живлення 7,5... 14 В
- Споживаний струм не більше 90 мА
Глибина виявлення:
- монета діаметром 25 мм - 20 см
- пістолет - 40 см
- каска - 60 з
Незважаючи на відносну простоту конструкції запропонованого імпульсного металошукача, його виготовлення в домашніх умовах може виявитися складним за необхідності занесення в мікроконтроллер спеціальної програми. Це можна зробити, лише маючи відповідну кваліфікацію та програмно-апаратні засоби для роботи з мікроконтролером.
Структурна схема
Структурна схема зображена на рис. 25 Основою пристрою є мікроконтролер. З його допомогою здійснюється формування тимчасових інтервалів для управління всіма вузлами пристрою, а також індикація і загальне управління приладом. З допомогою потужного ключа проводиться імпульсне накопичення енергії в котушці датчика, а потім переривання струму, після якого виникає імпульс самоіндукції, збудливий електромагнітне поле в мішені.
Рис. 25. Структурна схема імпульсного металошукача
"Родзинкою" пропонованої схеми є застосування диференціального підсилювача у вхідному каскаді. Він служить для посилення сигналу, напруга якої вища напруги живлення, і прив'язки його до певного потенціалу (+5 В). Для подальшого посилення служить приймальний підсилювач з великим коефіцієнтом посилення. Для вимірювання корисного сигналу служить перший інтегратор. Під час прямого інтегрування проводиться накопичення корисного сигналу у вигляді напруги, а у час зворотного інтегрування проводиться перетворення результату в тривалість імпульсу. Другий інтегратор має велику постійну інтегрування (240 мс) і служить для балансування підсилювального тракту по постійному струму.
Принципова схема
Принципова схема імпульсного металошукача зображена на рис. 26 - диференціальний підсилювач, приймальний підсилювач, інтегратори і потужний ключ.
Рис. 26. Принципова електрична схема імпульсного металошукача. Підсилювальний тракт, потужний ключ, інтегратори (натисніть для збільшення)
На рис. 27 зображений мікроконтролер та органи управління та індикації. Запропонована конструкція розроблена повністю на імпортної елементної бази. Використані найпоширеніші компоненти провідних виробників. Деякі елементи можна спробувати замінити на вітчизняні, про це буде сказано нижче. Більшість застосованих елементів не є дефіцитними і можуть бути придбані у великих містах Росії та СНД через фірми, що торгують електронними компонентами.
Рис. 27. Принципова електрична схема імпульсного металошукача. Мікроконтролер (натисніть для збільшення)
Потужний ключ зібраний на польовому транзисторі VT1. Так як застосований польовий транзистор типу IRF740 має ємність затвора більше 1000 пФ, для його швидкого закриття використовується попередній каскад на транзисторі VT2. Швидкість відкриття потужного ключа вже не настільки критична, з-за того, що струм в індуктивної навантаженні наростає поступово. Резистори R1, R3 призначені для "гасіння" енергії самоіндукції. Їх номінал обрано з міркувань безпечної роботи транзистори VT1, а також забезпечення апериодического перехідного характеру процесу в контурі, який утворений індуктивністю датчика і паразитної межвитковой ємністю. Захисні діоди VD1, VD2 обмежують перепади напруги на вході диференціального підсилювача.
Диференціальний підсилювач зібраний на ОП D1.1. Мікросхема D1 являє собою счетверенний операційний підсилювач типу TL074. Його відмітними властивостями є висока швидкодія, мале споживання, низький рівень шумів, високий вхідний опір, а також можливість роботи при напругах на входах, близьких до напруги живлення. Ці властивості зумовили його застосування в диференціальному підсилювачі зокрема і в схемі в цілому. Коефіцієнт посилення диференціального підсилювача складає близько 7 і визначається номіналами резисторів R3, R6-R9, R11.
Приймальний підсилювач D1.2 являє собою неінвертуючий підсилювач з коефіцієнтом підсилення 56. Під час дії високовольтної частини імпульсу самоіндукції цей коефіцієнт знижується до 1 з допомогою аналогового ключа D2.1. Це запобігає перевантаження вхідного підсилювального тракту і забезпечує швидке входження в режим для посилення слабкого сигналу. Транзистор VT3, а також транзистор VT4, призначені для узгодження рівнів сигналів, що управляють, подаються з мікроконтролера на аналогові ключі.
З допомогою другого інтегратора D1.3 проводиться автоматичне балансування вхідного підсилювального тракту по постійному струму. Постійна інтегрування 240 мс обрана досить великий, щоб ця зворотній зв'язок не впливала на посилення швидко мінливого корисного сигналу. За допомогою цього на виході інтегратора підсилювача D1.2 при відсутності сигналу підтримується рівень +5 Ст.
Вимірювальний перший інтегратор виконаний на D1.4. На час інтегрування корисного сигналу відкривається ключ D2.2 і, відповідно, закривається на ключ D2.4. На ключі D2.3 реалізований логічний інвертор. Після завершення інтегрування сигналу ключ D2.2 закривається і відкривається ключ D2.4. Накопичувальний конденсатор С6 починає розряджатися через резистор R21. Час розряду буде пропорційно напрузі, яке встановилося на конденсаторі С6 до кінця інтегрування корисного сигналу.
Це час вимірюється з допомогою мікроконтролера, який здійснює аналого-цифрове перетворення. Для вимірювання часу розряду конденсатора С6 використовуються аналоговий компаратор і таймери, які вбудовані в мікроконтроллер D3.
З допомогою світлодіодів VD3...VD8 проводиться світлова індикація. Кнопка S1 призначена для початкового скидання мікроконтролера. За допомогою перемикачів S2 і S3 задаються режими роботи пристрою. З допомогою змінного резистора R29 регулюється чутливість металошукача.
Алгоритм функціонування
Для пояснення принципу роботи описуваного імпульсного металошукача на рис. 28 приведені осцилограми сигналів в найбільш важливих точках приладу.
Рис. 28. Осцилограми
На час інтервалу А відкривається ключ VT1. Через котушку датчика починає протікати пилкоподібний ток - осцилограма 2. При досягненні струму близько 2 А ключ закривається. На стоці транзистора VT1 виникає викид напруги самоіндукції - осцилограма 1. Величина цього викиду - понад 300 (!) і обмежується резисторами R1, R3. Для запобігання перевантаження підсилювального тракту служать обмежувальні діоди VD1, VD2. Також Для цієї мети на час інтервалу А (накопичення енергії у котушці) і інтервалу (викид самоіндукції) відкривається ключ D2.1. Це знижує наскрізний коефіцієнт підсилення тракту з 400 до 7. На осцилограмі 3 показаний сигнал на виході підсилювального тракту (висновок 8 D1.2). Починаючи з інтервалу, ключ D2.1 закривається і коефіцієнт посилення тракту стає великим. Після завершення захисного інтервалу, за час якого підсилювальний тракт входить в режим, відкривається ключ D2.2 і закривається ключ D2.4 - починається інтегрування корисного сигналу - інтервал D. По закінченні цього інтервалу ключ D2.2 закривається, а ключ D2.4 відкривається - починається "зворотне" інтегрування. За цей час (інтервали Е і F) конденсатор С6 повністю розряджається. За допомогою вбудованого аналогового компаратора мікроконтролер вимірює величину інтервалу Е, яка виявляється пропорційною рівню вхідного корисного сигналу. Для версії 1.0 мікропрограмного забезпечення встановлені наступні значення інтервалів:
- А-60...200 мкс, В - 12 мкс,
- З - 8 мкс, D - 50 мкс,
- A+B+C+D+E+F - 5 мс - період повторення.
Мікроконтролер обробляє отримані цифрові дані і відображає за допомогою світлодіодів VD3 - VD8 і випромінювача звуку Y1 ступінь впливу мішені на датчик. Світлодіодна індикація являє собою аналог стрілочного індикатора - при відсутність мішені горить світлодіод VD8, далі в залежності від рівня впливу послідовно загоряються VD7, VD6 і т. д.
Типи деталей і конструкція
Замість операційного підсилювача D1 TL074N можна спробувати застосувати TL084N або за два здвоєних ОУ типів TL072N, TL082N.
Мікросхема D2 - це счетверенний аналоговий ключ типу CD4066, який можна замінити на вітчизняну мікросхему К561КТЗ.
Мікроконтролер D4 AT90S2313-10PI прямих аналогів не має. У схемі не передбачені ланцюга для внутрісхемного програмування, тому контролер бажано встановлювати на панельку, щоб його можна було перепрограмувати.
Стабілізатор 78L05 можна, в крайньому випадку, замінити на КР142ЕН5А.
Транзистор VT1 типу IRF740 можна спробувати замінити на IRF840.
Транзистори VT2-VT4 типу 2N5551 можна замінити на КТ503 з будь-яким буквеним індексом. Однак слід звернути увагу на той факт, що вони мають різну цоколевку.
Світлодіоди можуть бути будь-якого типу, VD8 бажано взяти іншого кольору світіння. Діоди VD1, VD2 типу 1N4148.
Резистори можуть бути будь-яких типів, R1 і R3 повинні мати рассеиваемую потужність 0,5 Вт, інші можуть бути 0,125 або 0,25 Вт. R9 і R11 бажано підібрати, щоб їх опір відрізнялося не більше, ніж на 5 %.
Подстроенный резистор R7 бажано використовувати багатооборотний.
Конденсатор С1 - електролітичний, на напруга 16, інші конденсатори керамічні. Конденсатор С6 бажано взяти з хорошим ТКЕ.
Кнопка S1, перемикачі S2-S4, змінний резистор R29 можуть бути будь-яких типів, які підходять за розмірами. В якості джерела звуку можна використовувати пьезоизлучатель або головні телефони від плеєра.
Конструкція корпусу приладу може бути довільною. Штанга поблизу датчика (до 1 м) і сам датчик не повинні мати металевих деталей і елементів кріплення. В якості вихідного матеріалу для виготовлення штанги зручно використовувати пластикову телескопічну вудку.
Датчик містить 27 витків дроту діаметром 0,6...0,8 мм, намотаного на оправці 190 мм. Датчик не має екрану і його кріплення до штанги має здійснюватися без застосування масивних шурупів, болтів і т. д. (!) В іншому технологія його виготовлення може бути така ж, як для індукційного металошукача. Для з'єднання датчика і електронного блоку не можна використовувати екранований кабель з-за його великої ємності. Для цих цілей треба використовувати два ізольованих проводи типу, наприклад МГШВ, скручених разом.
Налагодження приладу
Увага! У приладі є висока, потенційно небезпечна для життя напруга - на колекторі VT1 і на датчику. Тому при налаштуванні і експлуатації слід дотримуватися заходів електробезпеки.
Налаштування приладу рекомендується проводити в наступній послідовності:
1. Переконатися в правильності монтажу.
2. Подати харчування і переконатися, що споживаний струм не перевищує 100 (мА).
3. За допомогою підлаштування резистора R7 домогтися такої балансування підсилювального тракту, щоб осцилограма на виводі 7 D1.4 відповідала осцилограмі 4 на рис. 28. При цьому необхідно стежити за тим, щоб сигнал наприкінці інтервалу D був незмінним, тобто осцилограма в цьому місці повинна бути горизонтальною.
У картці правильно зібраний прилад не потребує. Необхідно піднести датчик до металевого об'єкту і переконатися в роботі органів індикації. Опис роботи органів управління наводиться в описі програмного забезпечення.
Програмне забезпечення
На момент написання цього матеріалу було розроблено та протестовано програмний забезпечення версій 1.0 і 1.1. Код "прошивки" версії 1.0 в форматі Intel HEX можна знайти в Інтернеті на персональній сторінці Юрія Колоколова, http://home.skif.net/~yukol/index.htm.
Комерційна версія 1.1 програмного забезпечення планується до постачання у вигляді вже запрограмованих мікроконтролерів у складі наборів, що випускаються фірмою "Майстер Кит". Версія 1.0 реалізує наступні функції:
- контроль напруги живлення - при напрузі живлення менше 7 починає переривчасто спалахує світлодіод VD8;
- фіксований рівень чутливості;
- статичний режим пошуку.
Версія програмного забезпечення 1.1 відрізняється тим, що дозволяє регулювати чутливість приладу за допомогою змінного резистора R29.
Робота над новими версіями програмного забезпечення триває, планується введення додаткових режимів. Для управління новими режимами зарезервовані перемикачі S1, S2. Нові версії, після їх всебічного тестування, будуть доступні в наборах "Майстер Кит". Інформація про нових версіях буде публікуватися в Інтернеті на персональній сторінці Юрія Колоколова, http://home.skif.net/~yukol/index.htm.
Автор: Щедрін А. В.