Metalldetektor basierend auf dem Prinzip eines elektronischen Frequenzmessers. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik

Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Metalldetektoren

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Dies ist eine gemeinsame Entwicklung des Autors und Ingenieurs aus Donezk (Ukraine) Yuri Kolokolov (die Adresse seiner persönlichen Seite im Internet lautet home.skif.net/-yukol/index.htm), durch dessen Bemühungen die Übersetzung möglich war Die Idee wurde in ein fertiges Produkt umgewandelt, das auf einem programmierbaren Single-Chip-Mikrocontroller basiert. Er entwickelte das Design und die Software und führte auch umfassende Tests durch.

Trotz der Einfachheit des Designs des vorgeschlagenen Metalldetektors, der auf dem Prinzip eines Frequenzmessers basiert, kann seine Herstellung zu Hause aufgrund der Notwendigkeit, ein spezielles Programm in den Mikrocontroller einzugeben, schwierig sein. Dies ist nur möglich, wenn Sie über die entsprechende Erfahrung sowie Hard- und Software für die Arbeit mit dem Mikrocontroller verfügen.

Derzeit beherrscht das Moskauer Unternehmen „Master Kit“ die Herstellung von Bausätzen für Funkamateure zur Selbstmontage des beschriebenen Metalldetektors. Das Kit enthält eine Leiterplatte und elektronische Komponenten, einschließlich eines vorprogrammierten Controllers. Vielleicht erweist sich für viele Liebhaber der Suche nach Schätzen und Relikten der Kauf des NM8041-Bausatzes (nummeriert nach dem Katalog der Firma Master Kit) und dessen anschließende einfache Montage als bequeme Alternative zum Kauf eines teuren Industriegeräts oder zur Herstellung eines Metalldetektor ganz alleine.

Für diejenigen, die sich sicher fühlen und bereit sind, einen Mikroprozessor-Metalldetektor herzustellen und zu programmieren, finden Sie auf der persönlichen Seite von Yuri Kolokolov im Internet den Code für eine Evaluierungsversion der Controller-Firmware im Intel Hex-Format und andere nützliche Informationen. Diese Firmware-Version unterscheidet sich von der Vollversion, die in den NM8041-Mikrocontrollern gespeichert ist, durch das Fehlen eines dynamischen Modus und einiger anderer Funktionen.

Das Funktionsprinzip des betreffenden Metalldetektors basiert auf der Messung der Frequenz eines Generators mithilfe eines elektronischen Frequenzmessers, dessen Schaltkreis einen Sensor enthält – eine Induktivitätsspule. In diesem Fall enthält nicht der Frequenzwert selbst nützliche Informationen, sondern sein Inkrement, das auftritt, wenn sich der Sensor dem Ziel nähert, und das Vorzeichen dieses Inkrements.

Der Metalldetektor hat eine Detektionsreichweite, die etwa eineinhalb Mal größer ist als die des schlagenden Prototyps. Gleichzeitig weist es eine Selektivität für Metalle auf. Ein geringer Stromverbrauch und ein großer Bereich möglicher Versorgungsspannungen ermöglichen vielfältige Möglichkeiten zum Anschluss von Batterien oder Akkus. Das Gerät stellt sich automatisch auf die Ausgangsfrequenz des Messgenerators ein. In diesem Fall kann der Frequenzwert theoretisch im Bereich von etwa 100 Hz bis 200 kHz liegen, was auch große Möglichkeiten bei der Wahl des Sensordesigns bietet. Hinsichtlich der Anzahl der Teile ist der vorgeschlagene Metalldetektor nicht komplizierter als ein schlagender Metalldetektor. Dies wurde durch die Softwareimplementierung der meisten Funktionen in einem Single-Chip-Mikrocontroller erreicht.

Wichtigste technische Merkmale

Strukturschema

Das Blockschaltbild eines Metalldetektors, der auf dem Prinzip eines elektronischen Frequenzmessers basiert, ist in Abb. dargestellt. 12.

Reis. 12. Aufbauschema eines Metalldetektors nach dem Prinzip eines Frequenzmessers

Tatsächlich besteht der betreffende Metalldetektor nur aus einem Messgenerator und einem elektronischen Frequenzmesser. Das Strukturdiagramm ist vielmehr eine Veranschaulichung des Algorithmus seiner Funktionsweise.

Und der Algorithmus des Metalldetektors selbst ist wie folgt. Zunächst misst ein elektronischer Frequenzmesser die Frequenz des Messoszillators, wenn sich der Sensor in der Nähe von Metallgegenständen und Ferromagneten befindet. Dieser Wert wird in einem Speicherregister gespeichert. Anschließend misst der Frequenzmesser in Echtzeit die Frequenz des Messoszillators. Von den erhaltenen Werten wird der Wert der Referenzfrequenz subtrahiert und das Ergebnis an das Anzeigegerät gesendet.

Schematische Darstellung

Das schematische Diagramm des Metalldetektors ist in Abb. 13 dargestellt. XNUMX.

Reis. 13. Schematische Darstellung eines Metalldetektors nach dem Prinzip eines elektronischen Frequenzmessers

Der Messgenerator basiert auf einem integrierten Timer A1 Typ NE555 (inländisches Analogon - K1006VI1). Dieser Chip wird auf etwas ungewöhnliche Weise eingesetzt – als LC-Oszillator. Der Schwingkreis des Generators besteht aus den Kondensatoren C1*, C2* und der Sensorinduktivität L. Die Resonanzfrequenz wird wie bei einem herkömmlichen Schwingkreis bestimmt, während die Kapazität des Kreises die Kapazität der in Reihe geschalteten Kondensatoren C1* und C2 ist *. Bei Verwendung eines typischen Sensors mit einem Durchmesser von 180...190 mm, der 100 Drahtwindungen und Kondensatoren C1* = 0,047 μF und C2* = 0,01 μF enthält, beträgt die Erzeugungsfrequenz etwa 20 kHz. Bei Bedarf kann die Frequenz des Generators durch Ändern der Kapazität der Kondensatoren C1* und C2* geändert werden. In diesem Fall ist es wünschenswert, dass diese Behälter in einem Verhältnis von etwa (4...6):1 vorliegen.

Für alle weiteren Funktionen von der Signalverarbeitung des Messgenerators bis hin zur Anzeige ist der Mikrocontroller A2 verantwortlich. Diese Schaltung verwendet den Mikrocontroller AT90S2313-10PI von ATMEL. Dies ist ein kostengünstiger 8-Bit-RISC-Einzelchip-Mikrocontroller. Es hat eine Leistung von 10 MIPS bei 10 MHz. Enthält: 2 Kilobyte Flash-Speicher, 128 Byte EEPROM, 15 E/A-Leitungen, 32 Arbeitsregister, zwei Timer/Zähler, Watchdog-Timer, Analogkomparator, universelle serielle Schnittstelle. Um das Problem zu lösen, verfügt der ausgewählte Mikrocontroller über ausreichend hohe technische Eigenschaften zu einem relativ niedrigen Preis.

Sowohl Bedien- als auch Anzeigeelemente sind direkt mit dem Mikrocontroller-Chip verbunden. Der variable Widerstand R6 regelt die Empfindlichkeit des Geräts. Die LEDs VD1-VD3 zeigen die Höhe der Frequenzabweichung des Messgenerators bei Überwiegen des ferromagnetischen Effekts an. LEDs VD5...VD7 – bei vorherrschendem Leitfähigkeitseffekt. LED VD4 zeigt eine Frequenzverschiebung von Null an. Der Hörer bzw. Piezosender Y dient zur akustischen Anzeige der Frequenzabweichung des Messgeneratorsignals. Mit dem Schalter S1 wird die Betriebsart des Gerätes eingestellt – statisch oder dynamisch. Im statischen Modus wird das Signal, ein digitaler Code der Frequenzdifferenz, logarithmiert und sofort an die Anzeige gesendet. Jede Stufe der Lichtanzeige wird von einem eigenen Tonsignal begleitet.

Der dynamische Modus dient der Suche nach Zielen vor dem Hintergrund von Störungen durch Boden, Mineralien usw. Im dynamischen Modus wird das Signal einer digitalen Filterung unterzogen, die das Nutzsignal vom Hintergrund störender Signale unterscheidet. Dieses Gerät verwendet eine optimal abgestimmte Filterung. Kurz gesagt besteht das Wesentliche darin, dass es für jedes Signal einen optimalen Filter gibt, der es Ihnen ermöglicht, die maximale Reaktion an seinem Ausgang zu erzielen. Ein solcher digitaler Filter wird für ein Frequenzverstimmungssignal implementiert, das auftritt, wenn sich die Suchspule mit einer Geschwindigkeit von 0,5 ... 1 m/s über kleine Ziele bewegt. Der Filter ist softwaremäßig in einem Mikrocontroller implementiert.

Der Anschluss X1 dient zum Anschließen eines Computers beim Laden des Programms in den Mikrocontroller.

Teiletypen und Design

Das Design enthält eine Mindestanzahl an Teilen. Dabei werden an sie keine besonderen Anforderungen gestellt.

Der A1-Timer-Chip (NE555) kann durch KR1006VI1 ersetzt werden. Es empfiehlt sich, LEDs mit erhöhter Helligkeit zu wählen. Stabilisator A3 (LP2950) kann wie 1184EN1 oder, was etwas schlechter ist, 78L05 verwendet werden. Im letzteren Fall beträgt die minimal zulässige Batteriespannung 6,7 V.

Der A2-Mikrocontroller ist direkt in die Leiterplatte eingelötet (da die Programmeingabe über den Stecker erfolgt, muss er auch bei einem Wechsel nicht von der Platine entfernt werden), auf Wunsch kann der Mikrocontroller aber auch in die eingebaut werden Steckdose. Der AT90S2313-10PI-Chip kann durch einen AT90S2313-10PC ersetzt werden, allerdings übernimmt der Hersteller in diesem Fall keine Garantie für den Betrieb bei Temperaturen unter 0 °C (was unter Feldbedingungen durchaus der Fall sein kann).

Widerstände können in den unterschiedlichsten Ausführungen eingesetzt werden, mit einer Verlustleistung von 0,063...0,25 W. Kondensatoren C1* und C2* – es empfiehlt sich die Verwendung thermisch stabiler Kondensatoren, insbesondere C2*. Elektrolytkondensator C4 – jeder Typ. Die übrigen Kondensatoren sind aus Keramik, Typ K10-17. Quarzresonatortypen RG-05, RK169 oder ein anderer kleiner Resonator. Der Sensor ist eine abgeschirmte Spule. Der Entwurf kann diesem Buch entnommen werden.

Software

Die meisten Funktionen des Geräts sind einem Programm zugeordnet, das vom Mikrocontroller ausgeführt und in seinem nichtflüchtigen Speicher aufgezeichnet (programmiert) wird. Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Materials war der folgende Betriebsalgorithmus des Geräts implementiert.

1. Nach dem Programmstart misst der Mikrocontroller durch Drücken der SO-Taste grob die Frequenz des Messgenerators für ein festes Zeitintervall (etwa mehrere zehn Millisekunden).

2. Ein interner Timer des Mikrocontrollers wird dann so eingestellt, dass die Teilung der Eingangsfrequenz zu einem gemessenen Intervall Ti führt, das etwas kleiner ist als das oben angegebene feste Intervall.

3. Anschließend erfolgt eine Kontrollmessung des gemessenen Intervalls Ti mit einem zweiten Timer, dem Zählimpulse mit einer Taktfrequenz von mehreren Megahertz zugeführt werden.

4. Der gemessene Wert des Zeitintervalls Ti wird gespeichert und anschließend als Referenz Te verwendet.

5. Die Messung des Ti-Intervalls wird im Zyklus wiederholt.

6. Die Intervalle Ti und Te werden verglichen, indem sie voneinander subtrahiert werden.

7. Das erhaltene Ergebnis wird zur einfachen Wahrnehmung mithilfe von Licht- und Tonanzeigen verarbeitet.

Die Software für dieses Gerät wurde mehr als zwei Jahre lang erstellt und getestet und wird, ebenso wie die Leiterplatte, ständig verbessert. Es ist möglich, dass zum Zeitpunkt der Lektüre dieses Textes das vorgeschlagene Design und die Software bereits erhebliche Änderungen erfahren haben. Für die neuesten Informationen empfehlen wir Ihnen, die persönliche Seite von Yuri Kolokolov im Internet zu besuchen, home.skif.net/-yukol/index.htm, die Informationen über neue Funktionen enthält.

Arbeiten mit dem Gerät

Bei geschlossenem Schalter S1 geht das Gerät in den statischen Modus. Wenn sich die Spule in diesem Modus dem ferromagnetischen Ziel nähert, beginnen die LEDs VD3, VD2, VD1 nacheinander zu leuchten. Wird die Spule näher an einen nicht ferromagnetischen Metallgegenstand gebracht, leuchten die LEDs VD5, VD6, VD7 auf.

Leider reagiert das Gerät auf Eisengegenstände mit großer Oberfläche (z. B. eine Blechdose) genauso. Dies ist auf die Tatsache zurückzuführen, dass, wenn die Suchspule metallischen ferromagnetischen Gegenständen ausgesetzt wird, zwei Effekte gleichzeitig auftreten – der Leitfähigkeitseffekt und der ferromagnetische Effekt. Ab einem bestimmten Verhältnis der Oberfläche eines Objekts zu seinem Volumen beginnt der Leitfähigkeitseffekt zu überwiegen.

Beim Öffnen des Schalters S1 wechselt das Gerät in den dynamischen Modus. In diesem Modus verfügt der Metalldetektor über die höchstmögliche Empfindlichkeit, reagiert jedoch nur auf Objekte, wenn sich der Sensor bewegt – die Spule sollte sich mit einer Geschwindigkeit von ca. 0,5...1 m/s über dem Boden bewegen. Der Standort eines Objekts im dynamischen Modus wird mithilfe der „Artilleriegabel“-Methode bestimmt, indem die Spule zweimal über das Objekt geführt wird – von links nach rechts und von rechts nach links. In diesem Modus ist es wichtig, die niedrigste Geschwindigkeit zu spüren, mit der Sie die Rolle bewegen können. Dies ist mit ein wenig Übung leicht zu meistern. Die Darstellung im dynamischen Modus sieht etwas anders aus. Wenn sich die Spule über einen ferromagnetischen Gegenstand bewegt, leuchten zuerst die LEDs der „Waage“ VD5, VD6, VD7 und dann die LEDs der „Waage“ VD3, VD2, VD1 auf. Beim Bewegen der Spule über einen nicht ferromagnetischen Gegenstand erfolgt die Anzeige umgekehrt.

Wie oben erwähnt, verfügt jede LED über einen eigenen akustischen Anzeigeton. Nach einer kurzen Zeit der Arbeit mit dem Metalldetektor werden die für verschiedene Arten von Zielen charakteristischen „Melodien“ gespeichert. Dadurch können Sie bei der Suche hauptsächlich die Tonanzeige verwenden, was sehr praktisch ist.

Bevor mit der Arbeit in beiden Modi begonnen wird, muss die optimale Empfindlichkeit des Geräts über den variablen Widerstand R6 eingestellt werden. Es wird auf eine Position eingestellt, bei der das Gerät beginnt, falsche Antworten anzuzeigen. Dann muss durch langsames Drehen des Rotors dieses Widerstands sichergestellt werden, dass Fehlalarme verschwinden.

Autor: Shchedrin A.I.

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