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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Ein einfacher Impulsmetalldetektor auf Mikroschaltungen. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Metalldetektoren In letzter Zeit haben sich gepulste Metalldetektoren vom Typ PI (Pulse Induction) relativ weit verbreitet, bei denen zur Beurteilung des Vorhandenseins von Metallobjekten in der Suchzone das Phänomen des Auftretens von Wirbeloberflächenströmen in einem Metallobjekt unter dem Einfluss von Es wird ein externes elektromagnetisches Feld verwendet. Bei Metalldetektoren vom Typ PI wird ein Impulssignal an eine Sendespule angelegt, in der ein elektromagnetisches Wechselfeld erzeugt wird. Wenn ein Metallgegenstand im Wirkungsbereich dieses Feldes erscheint, entstehen unter dem Einfluss eines gepulsten Signals periodisch Wirbelströme auf seiner Oberfläche. Diese Ströme sind die Quelle des Sekundärsignals, das von der Empfangsspule empfangen wird. Aufgrund des Phänomens der Selbstinduktion unterscheidet sich die Form des Sekundärsignals von der Form des von der Sendespule ausgesendeten Impulses. In diesem Fall werden die Unterschiede in den Parametern des sekundären Impulssignals zur Analyse mit anschließender Generierung von Daten für die Anzeigeeinheit verwendet. Bei allen dem Autor bekannten gepulsten Metalldetektoren wird die Formänderung der Hinterflanke des Sekundärimpulses ausgewertet. Das betreffende Gerät verwendet einen Mikroprozessor mit entsprechender Software. Leider war es zum Zeitpunkt der Veröffentlichung dieses Buches noch nicht möglich, eine 100 % funktionsfähige Version seiner Firmware zu veröffentlichen. Daher haben interessierte und vorbereitete Leser die Möglichkeit, ihre Fähigkeiten bei der Erstellung von Firmware für den Mikrocontroller zu testen. Der Autor zweifelt keine Sekunde daran, dass russische Handwerker diese Aufgabe mit Ehre meistern werden. Dennoch, so der Autor, sei das Design des vorgeschlagenen Metalldetektors für unerfahrene Funkamateure recht kompliziert, um es zu wiederholen. Erwähnt werden sollten auch die Schwierigkeiten, die bei der Justierung dieses Gerätes auftreten. Es ist besonders darauf zu achten, dass Fehler bei der Installation und falsche Einstellungen des Gerätes zum Ausfall teurer Elemente führen können. Schematische Darstellung Das schematische Diagramm des vorgeschlagenen einfachen Impulsmetalldetektors kann bedingt in zwei Teile unterteilt werden, nämlich: die Sendereinheit und die Empfängereinheit. Leider erlaubt uns der begrenzte Umfang dieses Buches nicht, im Detail auf alle Merkmale der Schaltungslösungen einzugehen, die zur Herstellung dieses Geräts verwendet wurden. Daher werden im Folgenden nur die Grundlagen der Funktionsweise der wichtigsten Knoten und Kaskaden betrachtet. Die Sendeeinheit (Abb. 3.14) umfasst ein Impulsformungs- und Synchronisationsmodul, den Sender selbst und einen Spannungswandler.
Der Hauptbestandteil des gesamten Designs ist das Impulsformungs- und Synchronisationsmodul, das auf dem Mikroprozessor AT1C89 Typ IC2051 von ATMEL basiert und die Bildung von Impulsen für den Sender sowie von Signalen ermöglicht, die den Betrieb aller anderen Einheiten steuern. Die Betriebsfrequenz des Mikrocontrollers IC1 wird durch einen Quarzresonator (3,5 MHz) stabilisiert. Bei dem vorgegebenen Wert der Betriebsfrequenz erzeugt der Mikroprozessor eine periodische Folge von Steuerimpulsen für verschiedene Stufen des Metalldetektors. Diese Sequenz besteht aus 250 Zyklen mit einer Dauer von jeweils 9 μs. Am Ausgang von IC1/14 des Mikroprozessors wird zunächst ein Steuerimpuls für den Transistor T6 erzeugt, danach wird am Ausgang von IC1/15 ein ähnlicher Impuls für den Transistor T7 erzeugt. Dieser Vorgang wird dann noch einmal wiederholt. Dadurch läuft der Spannungswandler an. Darüber hinaus werden nacheinander auf den Anschlüssen IC1/8, IC1/7, IC1/6, IC1/16, IC1/17, IC1/19 und IC1/18 Sender-Triggerimpulse gebildet. In diesem Fall haben diese Impulse die gleiche Dauer, aber jeder nachfolgende Impuls ist gegenüber dem vorherigen um mehrere Zyklen verzögert. Der Beginn des ersten am Pin IC1/8 erzeugten Impulses fällt mit dem Ende des zweiten Impulses am Pin IC1/15 zusammen. Mit dem Schalter P1 können Sie die Verzögerungszeit des Sender-Startimpulses im Verhältnis zum Startimpuls wählen. Einige Zyklen nach dem Ende des Impulses am Pin IC1/18 wird am Pin IC1/3 ein kurzer Strobe-Impuls für einen der Analysatorkanäle erzeugt. Am Ausgang von IC1/9 entsteht dann ein ähnlicher Impuls, der für den zweiten Kanal des Analysators bestimmt ist. Anschließend wird am Ausgang von IC1/11 ein Steuersignal für den Transistor T10 der akustischen Signalschaltung der Empfängereinheit erzeugt. Anschließend wird nach einer kurzen Pause die Folge der Steuerimpulse an den entsprechenden Ausgängen des Mikrocontrollers erneut gebildet. Die zuvor durch IC5 stabilisierte Versorgungsspannung von +2 V wird an den IC1/20-Pin des Mikrocontrollers angelegt. Der Spannungswandler, bestehend aus den Transistoren T6-T8 und dem Stabilisator IC3, sorgt für die Bildung einer bipolaren Versorgungsspannung von 12 V, die zur Versorgung der Kaskaden des Empfangsteils erforderlich ist. Die Steuersignale für die Transistoren T7 und T8 werden an den entsprechenden Pins des Mikrocontrollers IC1 erzeugt. Gleichzeitig wird dieses Signal über einen auf dem Transistor T8 montierten Pegelwandler dem Transistor T6 zugeführt. Darüber hinaus wird die erzeugte Versorgungsspannung durch die IC3-Mikroschaltung stabilisiert, von deren Ausgang die +12-V-Spannung an die Kaskaden des Empfangsteils geliefert wird. Die Ausgangsstufen des Senders bestehen aus leistungsstarken Transistoren T1, T2 und T3, die an einer gemeinsamen Last arbeiten, nämlich der Spule L1, die durch eine Kette von Widerständen R1-R6 überbrückt wird. Der Betrieb der Transistoren der Ausgangsstufe wird vom Transistor T4 gesteuert. Das Steuersignal an die Basis des Transistors T4 wird vom entsprechenden Ausgang des Prozessors IC1 über den Transistor T5 geliefert. Der vom Mikroprozessor IC1 gemäß dem in seinem Speicher gespeicherten Programm erzeugte Impuls wird über den Schalter dem Eingang des Transistors T5 und weiter über den Transistor T4 den Ausgangsstufen des Senders zugeführt, die auf den Transistoren T1-T3 basieren und dann zur Transceiverspule L1. Wenn ein Metallgegenstand im Abdeckungsbereich der L1-Spule erscheint, werden auf seiner Oberfläche unter dem Einfluss eines externen elektromagnetischen Feldes, das durch den Senderimpuls initiiert wird, Wirbelströme angeregt. Die Lebensdauer dieser Ströme hängt von der Dauer des von der Spule L1 abgegebenen Impulses ab. Die Oberflächenströme wiederum sind die Quelle eines sekundären Impulssignals, das mit einer entsprechenden Verzögerung von der L1-Spule empfangen, verstärkt und der Analyseschaltung zugeführt wird. Es ist zu beachten, dass aufgrund des Phänomens der Selbstinduktion die Dauer des Sekundärsignals länger ist als die Dauer des von der Sendespule ausgesendeten Impulses. In diesem Fall hängt die Form des Sekundärimpulses von den Eigenschaften des Metalls ab, aus dem das detektierte Objekt besteht. Die Verarbeitung von Informationen über die Unterschiede in den Parametern der von der Spule L1 gesendeten und empfangenen Impulse ermöglicht die Bildung von Daten für die Anzeigeeinheit über das Vorhandensein eines Metallgegenstands. Im betrachteten Metalldetektor werden die Parameter der Rückflanke des sekundären Impulssignals zur Analyse verwendet. Die Empfängereinheit (Abb. 3.15) umfasst einen zweistufigen Eingangssignalverstärker, einen Analysator und eine Tonanzeigeschaltung.
Das Signal von einem Metallgegenstand wird von der Spule L1 empfangen und über eine Schutzschaltung aus den Dioden D1 und D2 einem zweistufigen kapazitiven Rückkopplungsverstärker zugeführt, der aus den Operationsverstärkern IC4 und IC5 besteht. Vom Ausgang von IC5 (Ausgang IC5/6) wird ein verstärktes Impulssignal der Analyseschaltung zugeführt, die auf den Mikroschaltungen IC6-IC8 basiert. Die Verstärker IC6 und IC7 sind während des Betriebs des Geräts ständig ausgeschaltet und werden nur dann mit Versorgungsspannung versorgt, wenn an den entsprechenden Eingängen (Ausgänge IC6/8 und IC7/8) Strobeimpulse ankommen, deren Dauer jeweils beträgt 9 μs (ein Zyklus). Gleichzeitig wird ein Strobe-Impuls an den Verstärker IC6 angelegt, der gegenüber dem Ende des ausgewählten Sender-Triggerimpulses um 30–100 μs verzögert ist, und an den Verstärker IC7 – gegenüber dem Ende des ersten Strobe-Impulses um 200 μs verzögert μs. Die Notwendigkeit einer solchen Verzögerung erklärt sich aus der Tatsache, dass die Form des empfangenen Signals vom Einfluss vieler äußerer Faktoren abhängt, sodass das Nutzsignal nur im Intervall von etwa 400 μs nach dem Ende des Impulses beobachtet werden kann. In diesem Fall ist ein Nutzsignal ein Anstieg der positiven Spannung, wenn sich die Spule L1 einem Metallgegenstand nähert, was auf eine Verlängerung der Dauer der Hinterflanke des Sekundärimpulses im Vergleich zum ausgesendeten Impuls zurückzuführen ist. Am Ende der Versorgungsspannung an den Ausgängen jedes Verstärkers (Mikroschaltungen IC6 und IC7) bleibt der Pegel des empfangenen Signals, der während der Einwirkung von Strobe-Impulsen festgelegt wurde, mehrere Sekunden lang erhalten. Somit wird das empfangene Impulssignal an einen der Eingänge des entsprechenden Verstärkers (Klemmen IC6/3 und IC7/3) und der entsprechende Strobe-Impuls vom Impulsformungs- und Synchronisationsmodul (Pins IC6/8 und IC7/8) angelegt. Die an den Ausgängen von IC6 und IC7 (Pins IC6/5 und IC7/5) erzeugten Signale werden dann den entsprechenden Eingängen des Differenzverstärkers auf dem IC8-Chip zugeführt. In diesem Fall durchläuft das Signal vom Ausgang des Verstärkers IC6 einen variablen Widerstand R45, mit dem die Empfindlichkeit des Geräts eingestellt wird. Befindet sich ein Metallgegenstand im Erfassungsbereich des Metalldetektors, sind die Signalpegel an den entsprechenden Eingängen des Differenzverstärkers (Pins IC8/2 und IC8/3) gleich. Infolgedessen ist der Ausgang dieses Verstärkers (Pin IC8/6) niedrig. Der Spannungsabfall am Ausgang des Verstärkers IC8 führt zum Öffnen des Transistors T9 und zur Verbindung mit der gemeinsamen Leitung des Kopfhörers BF1. Wenn vom entsprechenden Ausgang des Mikrocontrollers (Pin IC1 / 11) ein Steuersignal an den Transistor T10 empfangen wird, ist in den Telefonen ein Audiofrequenzsignal zu hören. Der Widerstand R44 begrenzt den durch den BF1-Kopfhörer fließenden Strom. Durch Auswahl können Sie die Lautstärke des akustischen Signals anpassen. Die Stromversorgung dieses Metalldetektors erfolgt über die Quelle B1 mit einer Spannung von 12 V. Details und Design Alle Teile des betrachteten Geräts (mit Ausnahme der Suchspule L1, des Widerstands R45, des Schalters P1 und des Schalters S1) befinden sich auf einer Leiterplatte mit den Maßen 105 x 65 mm (Abb. 3.16) aus doppelseitiger Getinax-Folie oder Textolith.
Für die in diesem Gerät verwendeten Teile gelten keine besonderen Anforderungen. Es empfiehlt sich, beliebige kleine Kondensatoren und Widerstände zu verwenden, die sich problemlos auf einer Leiterplatte platzieren lassen (Abb. 3.17).
Der IC vom Typ LF357 (IC4) kann durch einen LM318 oder NE5534 ersetzt werden, dies kann jedoch zu Einrichtungsproblemen führen. Als Verstärker-IC5 können Sie zusätzlich zum im Diagramm angegebenen LF356-Chip den CA3140-Chip verwenden. Chips wie LF398 (IC6, IC7) können problemlos durch MAC198 ersetzt werden. Anstelle des CA3140-Verstärkers (IC8) können Sie den TL071-Chip verwenden. Als Transistoren T1-T3 können Sie zusätzlich zu den im Schaltplan angegebenen Transistoren auch Transistoren wie BU2508, BU2515 oder ST2408 verwenden. Die Betriebsfrequenz des Quarzresonators sollte 3,5 MHz betragen. Sie können jedoch jedes andere Quarzelement mit einer Resonanzfrequenz von 2 bis 6 MHz verwenden. Verwenden Sie zur Montage des Mikroprozessors IC1 einen speziellen Sockel. In diesem Fall wird der Mikrocontroller erst nach Abschluss aller Installationsarbeiten auf der Platine installiert. Diese Bedingung muss auch bei Anpassungsarbeiten im Zusammenhang mit dem Löten bei der Auswahl der Werte einzelner Elemente beachtet werden. Besonderes Augenmerk sollte auf die Herstellung der Spule L1 gelegt werden, deren Induktivität 500 μH betragen sollte. Die Spule L1 besteht aus einem Ring mit einem Durchmesser von 250 mm und enthält 30 Drahtwindungen mit einem Durchmesser von nicht mehr als 0,5 mm. Bei Verwendung eines Drahtes mit größerem Durchmesser erhöht sich der Strom in der Spule, die parasitären Wirbelströme nehmen jedoch noch schneller zu, was zu einer Verschlechterung der Empfindlichkeit des Geräts führt. Für die Herstellung der Spule wird die Verwendung von lackiertem Draht nicht empfohlen, da die Potentialdifferenz zwischen benachbarten Windungen beim Aussenden eines Impulses 20 V erreicht. Wenn sich beim Wickeln der Spulenwindungen Leiter in der Nähe befinden, B. in der ersten und fünften Windung, ist ein Isolationsdurchschlag praktisch garantiert. Dies kann zum Ausfall der Sendetransistoren und anderer Elemente führen. Daher muss der bei der Herstellung der L1-Spule verwendete Draht mindestens PVC-isoliert sein. Es wird außerdem empfohlen, die fertige Spule gut zu isolieren. Hierzu können Sie Epoxidharz oder verschiedene Schaumfüller verwenden. Die Spule L1 sollte über einen zweiadrigen, gut isolierten Draht mit der Platine verbunden werden, wobei der Durchmesser jedes Kerns nicht kleiner sein sollte als der Durchmesser des Drahtes, aus dem die Spule selbst besteht. Aufgrund der erheblichen Eigenkapazität wird die Verwendung von Koaxialkabeln nicht empfohlen. Die Quelle der Tonsignale kann entweder ein Kopfhörer mit einer Impedanz von 8 bis 32 Ohm oder ein kleiner Lautsprecher mit einer ähnlichen Spulenimpedanz sein. Es wird empfohlen, als Stromquelle für B1 einen Akku mit einer Kapazität von ca. 2 Ah zu verwenden, da die Stromaufnahme dieses Metalldetektors mindestens 200 mA beträgt. Die Leiterplatte mit den darauf befindlichen Elementen und das Netzteil werden in einem geeigneten Gehäuse untergebracht. Auf dem Gehäusedeckel sind ein variabler Widerstand R45, ein Schalter P1, Anschlüsse zum Anschluss von Kopfhörern BF1 und einer Spule L1 sowie ein Schalter S1 verbaut. Einrichtung Dieses Gerät sollte unter Bedingungen eingestellt werden, bei denen Metallgegenstände in einem Abstand von mindestens 1 m von der Suchspule L1,5 entfernt werden. Die Besonderheit bei der Einstellung und Einstellung des betreffenden Metalldetektors besteht darin, dass seine einzelnen Blöcke und Kaskaden schrittweise verbunden werden. In diesem Fall wird jeder Verbindungsvorgang (Löten) bei ausgeschalteter Stromversorgung durchgeführt. Zunächst ist es erforderlich, das Vorhandensein und die Höhe der Versorgungsspannung an den entsprechenden Pins des Sockels der IC1-Mikroschaltung zu überprüfen, wenn kein Mikrocontroller vorhanden ist. Wenn die Versorgungsspannung normal ist, sollten Sie anschließend einen Mikroprozessor auf der Platine installieren und mit einem Frequenzmesser oder Oszilloskop das Signal an den Pins IC1/4 und IC1/5 überprüfen. Die Frequenz des Pilotsignals an diesen Pins muss mit der Betriebsfrequenz des verwendeten Quarzresonators übereinstimmen. Nach dem Zuschalten der Transistoren des Spannungswandlers (ohne Last) sollte sich die Stromaufnahme um 50 mA erhöhen. Die Spannung am Kondensator C10 sollte ohne Last etwa 20 V betragen. Anschließend sollten die Senderstufen angeschlossen werden. Die Betriebsarten der Transistoren T1-T4 müssen gleich sein und werden durch Auswahl der Werte der Widerstände R13-R16 eingestellt. Der Widerstand der Spule L1, überbrückt durch die Widerstände R1-R3, sollte etwa 500 Ohm betragen. In diesem Fall müssen die Anschlüsse der Spule und der Widerstände gut verlötet sein, da ein Kontaktfehler in diesem Stromkreis zum Ausfall der Ausgangstransistoren des Senders führt. Um die Funktion der Senderstufen zu überprüfen, können Sie die L1-Spule an Ihr Ohr halten und den Metalldetektor einschalten. Etwa eine halbe Sekunde später (nach dem Zurücksetzen des Mikrocontrollers) ist ein tiefes Tonsignal zu hören, dessen Entstehung auf die Mikrovibration einzelner Windungen der Spule zurückzuführen ist. In diesem Fall entsteht an den Kollektoren der Transistoren T1-T3 ein unmodulierter spitzer Impuls mit einer Dauer von ca. 10-20 µs, dessen Form mit einem Oszilloskop kontrolliert werden kann. Eine Erhöhung des Widerstandswerts der Widerstände R1-R3 führt zu einer Erhöhung der Amplitude des Ausgangsimpulses bei gleichzeitiger Verringerung seiner Dauer. Um den Widerstandswert des Shunts der Spule L1 auszuwählen, wird die Verwendung eines variablen Widerstands nicht empfohlen, da bereits eine kurzzeitige Verletzung des Kontakts des Motors mit der stromführenden Strecke zum Ausfall der Ausgangstransistoren von führen kann Der Sender. Daher ist es wünschenswert, den Wert des Shunts schrittweise in Schritten von 50 Ohm zu ändern. Vor dem Austausch von Teilen muss die Stromversorgung des Gerätes ausgeschaltet werden. Als nächstes können Sie mit der Einrichtung des Empfangsteils fortfahren. Wenn alle Teile in Ordnung sind und die Installation korrekt durchgeführt wurde, ist nach dem Einschalten des Metalldetektors (ca. 20 μs nach Ende des Startimpulses) ein exponentiell ansteigendes Signal am Ausgang des IC4-Chips zu beobachten (Pin IC4/6) mit einem Oszilloskop in ein Signal mit konstantem Pegel umgewandelt. Die Verzerrung der Vorderseite dieses Signals wird durch die Auswahl der Widerstände R1-R3, die die Spule L1 überbrücken, eliminiert. Danach sollten Sie die Form und Amplitude des Signals am Ausgang des IC5-Chips (Pin IC5/6) überprüfen. Die maximale Amplitude dieses Signals wird durch Auswahl des Wertes des Widerstands R36 eingestellt. Am Ausgang von IC6 (Pin IC6/5) soll ein konstantes Signal erzeugt werden, abhängig vom mit Schalter P1 gewählten Impuls, sowie vom Vorhandensein von Metallgegenständen im Bereich der Spule L1. Idealerweise sollte dieses Signal für alle Stellungen des Schalters P1 nahe Null liegen. Abschließend bleibt noch die korrekte Ermittlung der Lage des beispielhaften Messimpulses zum Startimpuls. Dazu reicht es aus, durch Auswahl eines Quarzresonators Q1 eine geeignete Betriebsfrequenz auszuwählen. Ablauf der Arbeit Vor dem praktischen Einsatz dieses Metalldetektors sollten Sie mit dem Schalter P1 die minimale Impulsverzögerung und mit dem Widerstand R45 die maximale Empfindlichkeit einstellen. Wenn während des Betriebs ein Metallgegenstand im Erfassungsbereich der Suchspule L1 erscheint, ertönt ein akustisches Signal im Kopfhörer. Es ist zu beachten, dass durch den Wechsel in den Betriebsmodus mit längerer Impulsverzögerung nicht nur der Einfluss der magnetischen Eigenschaften des Bodens ausgeschlossen wird, sondern auch die Reaktion des Geräts auf alle Arten von Fremdkörpern (rostige Nägel, Folie aus Zigarettenschachteln etc.) und anschließende vergebliche Durchsuchungen. Autor: Adamenko M. V.
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Kommentare zum Artikel: Vad Die Sprache dreht sich nicht, um dieses Gerät einfach zu nennen. Dann Clone, Tracker... das einfachste Chtoli?? Am einfachsten ist es mit dem Gen auf NE555 und einem K157UD2 bei 20 cm pro Nickel.
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