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ENZYKLOPÄDIE DER FUNKELEKTRONIK UND ELEKTROTECHNIK Impulsmetalldetektor. Enzyklopädie der Funkelektronik und Elektrotechnik
Lexikon der Funkelektronik und Elektrotechnik / Metalldetektoren Der Impuls-Metalldetektor, auf den Sie aufmerksam gemacht wurden, ist eine gemeinsame Entwicklung des Autors und Ingenieurs aus Donezk (Ukraine) Yuri Kolokolov (Webadresse - home.skif.net/~yukol/index.htm), dem es gelungen ist, die Idee in ein umzusetzen fertiges Produkt basierend auf einem programmierbaren Single-Chip-Mikrocontroller. Er entwickelte die Software und führte umfassende Tests und umfangreiche Debugging-Arbeiten durch. Derzeit plant die Moskauer Firma „Master Kit“ die Herstellung von Bausätzen für Funkamateure zur Selbstmontage des beschriebenen Metalldetektors. Das Kit enthält die Leiterplatte und elektronische Komponenten, einschließlich der bereits programmierten Steuerung. Vielleicht erweist sich für viele Liebhaber der Schatzsuche und der Reliquien der Kauf eines solchen Bausatzes und dessen anschließende einfache Montage als bequeme Alternative zum Kauf eines teuren Industriegeräts oder zum kompletten Eigenbau eines Metalldetektors. Für diejenigen, die sich selbstbewusst fühlen und bereit sind, einen Mikroprozessor-gepulsten Metalldetektor herzustellen und zu programmieren, gibt es auf der persönlichen Seite von Yuri Kolokolov im Internet eine Testversion der Controller-Firmware im Intel HEX-Format und andere nützliche Informationen. Diese Firmware-Version unterscheidet sich von der Vollversion dadurch, dass einige Betriebsmodi für Metalldetektoren fehlen. Das Funktionsprinzip eines Impuls- oder Wirbelstrom-Metalldetektors basiert auf der Anregung gepulster Wirbelströme in einem Metallobjekt und der Messung des sekundären elektromagnetischen Feldes, das diese Ströme induzieren. In diesem Fall wird das Anregungssignal der Sendespule des Sensors nicht ständig, sondern periodisch in Form von Impulsen zugeführt. In leitenden Objekten werden gedämpfte Wirbelströme induziert, die ein gedämpftes elektromagnetisches Feld anregen. Dieses Feld wiederum induziert einen gedämpften Strom in der Empfangsspule des Sensors. Abhängig von den Leitfähigkeitseigenschaften und der Größe des Objekts ändert das Signal seine Form und Dauer. Auf Abb. 24. zeigt schematisch das Signal an der Empfangsspule eines gepulsten Metalldetektors.
Impulsmetalldetektoren haben ihre Vor- und Nachteile. Zu den Vorteilen gehört die geringe Empfindlichkeit gegenüber mineralisiertem Boden und Salzwasser, zu den Nachteilen eine schlechte Selektivität nach Metallart und ein relativ hoher Energieverbrauch. Praktisches Design Die meisten praktischen Designs gepulster Metalldetektoren basieren entweder auf einem Zweispulen-Schaltkreis oder auf einem Einspulen-Schaltkreis mit einer zusätzlichen Stromquelle. Im ersten Fall verfügt das Gerät über separate Empfangs- und Sendespulen, was das Design des Sensors erschwert. Im zweiten Fall befindet sich im Sensor nur eine Spule und zur Verstärkung des Nutzsignals wird ein Verstärker verwendet, der von einer zusätzlichen Stromquelle gespeist wird. Die Bedeutung dieser Konstruktion ist wie folgt: Das Selbstinduktionssignal hat ein höheres Potenzial als das Potenzial der Stromquelle, die zur Stromversorgung der Sendespule verwendet wird. Um ein solches Signal zu verstärken, muss der Verstärker daher über eine eigene Stromquelle verfügen, deren Potenzial höher sein muss als die Spannung des zu verstärkenden Signals. Es verkompliziert auch die Geräteschaltung. Das vorgeschlagene Single-Coil-Design ist nach dem ursprünglichen Schema aufgebaut, das die oben genannten Nachteile nicht aufweist. Wichtigste technische Merkmale
Detektionstiefe:
Trotz der relativ einfachen Konstruktion des vorgeschlagenen Impulsmetalldetektors kann seine Herstellung zu Hause schwierig sein, da ein spezielles Programm in den Mikrocontroller eingegeben werden muss. Dies ist nur möglich, wenn Sie über die entsprechenden Qualifikationen sowie Software und Hardware für die Arbeit mit dem Mikrocontroller verfügen. Strukturschema Das Blockdiagramm ist in Abb. dargestellt. 25 Die Basis des Geräts ist ein Mikrocontroller. Mit seiner Hilfe werden Zeitintervalle zur Steuerung aller Knoten des Gerätes sowie zur Anzeige und allgemeinen Steuerung des Gerätes gebildet. Mit Hilfe eines leistungsstarken Schlüssels wird Energie in die Sensorspule gepulst, dann wird der Strom unterbrochen, woraufhin ein Selbstinduktionsimpuls auftritt, der ein elektromagnetisches Feld im Ziel anregt.
Der „Highlight“ des vorgeschlagenen Schemas ist die Verwendung eines Differenzverstärkers in der Eingangsstufe. Es dient dazu, das Signal, dessen Spannung höher als die Versorgungsspannung ist, zu verstärken und an ein bestimmtes Potential (+5 V) zu binden. Zur weiteren Verstärkung wird ein Empfangsverstärker mit hoher Verstärkung verwendet. Der erste Integrator dient zur Messung des Nutzsignals. Bei der Direktintegration wird das Nutzsignal in Form einer Spannung akkumuliert, bei der Rückwärtsintegration wird das Ergebnis in Impulsdauer umgerechnet. Der zweite Integrator hat eine große Integrationskonstante (240 ms) und dient der Symmetrierung des Verstärkungspfades gegenüber Gleichstrom. Schematische Darstellung Das schematische Diagramm eines Impulsmetalldetektors ist in Abb. dargestellt. 26 - Differenzverstärker, Empfangsverstärker, Integratoren und ein leistungsstarker Schalter.
Auf Abb. 27 zeigt den Mikrocontroller und die Bedienelemente und Anzeigen. Das vorgeschlagene Design wird vollständig auf Basis importierter Komponenten entwickelt. Es werden die gängigsten Komponenten führender Hersteller verwendet. Sie können versuchen, einige Elemente durch inländische zu ersetzen. Dies wird weiter unten besprochen. Die meisten der verwendeten Elemente sind nicht Mangelware und können in großen Städten Russlands und der GUS über Unternehmen erworben werden, die elektronische Komponenten verkaufen.
Ein leistungsstarker Schlüssel ist auf einem Feldeffekttransistor VT1 montiert. Da der verwendete Feldeffekttransistor vom Typ IRF740 eine Gatekapazität von mehr als 1000 pF aufweist, wird zum schnellen Schließen eine Vorstufe am VT2-Transistor verwendet. Die Öffnungsgeschwindigkeit eines leistungsstarken Schlüssels ist nicht mehr so kritisch, da der Strom in der induktiven Last allmählich ansteigt. Die Widerstände R1, R3 dienen dazu, die Energie der Selbstinduktion zu „löschen“. Ihre Nennleistung wird aus Gründen des sicheren Betriebs des Transistors VT1 sowie zur Gewährleistung der aperiodischen Natur des transienten Prozesses im Stromkreis gewählt, der durch die Sensorinduktivität und die parasitäre Zwischenwindungskapazität gebildet wird. Schutzdioden VD1, VD2 begrenzen die Spannungsabfälle am Eingang des Differenzverstärkers. Der Differenzverstärker ist auf dem Operationsverstärker D1.1 montiert. Chip D1 ist ein Quad-Operationsverstärker vom Typ TL074. Seine charakteristischen Merkmale sind hohe Geschwindigkeit, geringer Verbrauch, niedriger Geräuschpegel, hohe Eingangsimpedanz sowie die Fähigkeit, bei Eingangsspannungen nahe der Versorgungsspannung zu arbeiten. Diese Eigenschaften bestimmten den Einsatz insbesondere in einem Differenzverstärker und in der gesamten Schaltung. Die Verstärkung des Differenzverstärkers beträgt etwa 7 und wird durch die Werte der Widerstände R3, R6-R9, R11 bestimmt. Der Empfangsverstärker D1.2 ist ein nichtinvertierender Verstärker mit einer Verstärkung von 56. Während der Wirkung des Hochspannungsteils des Selbstinduktionsimpulses wird dieser Koeffizient mit dem Analogschalter D1 auf 2.1 reduziert. Dies verhindert eine Überlastung des Eingangsverstärkungspfads und ermöglicht einen schnellen Einstieg in den Modus zur Verstärkung eines schwachen Signals. Sowohl der Transistor VT3 als auch der Transistor VT4 sind so ausgelegt, dass sie die Pegel der Steuersignale anpassen, die vom Mikrocontroller an die Analogschalter geliefert werden. Mit Hilfe des zweiten Integrators D1.3 wird der Eingangsverstärkungspfad automatisch durch Gleichstrom ausgeglichen. Die Integrationskonstante von 240 ms wird so groß gewählt, dass diese Rückkopplung keinen Einfluss auf die Verstärkung des sich schnell ändernden Nutzsignals hat. Mit diesem Integrator wird der Ausgang des Verstärkers D1.2 bei fehlendem Signal auf +5 V gehalten. Der messende erste Integrator ist auf D1.4 aufgebaut. Zum Zeitpunkt der Integration des Nutzsignals wird die Taste D2.2 geöffnet und dementsprechend die Taste D2.4 geschlossen. Auf dem D2.3-Schlüssel ist ein logischer Inverter implementiert. Nachdem die Integration des Signals abgeschlossen ist, wird die Taste D2.2 geschlossen und die Taste D2.4 geöffnet. Der Speicherkondensator C6 beginnt sich über den Widerstand R21 zu entladen. Die Entladezeit ist proportional zur Spannung, die sich am Kondensator C6 am Ende der Integration des Nutzsignals einstellt. Diese Zeit wird von einem Mikrocontroller gemessen, der die Analog-Digital-Wandlung durchführt. Zur Messung der Entladezeit des Kondensators C6 werden ein analoger Komparator und Timer verwendet, die in den D3-Mikrocontroller integriert sind. Mit Hilfe der LEDs VD3...VD8 erfolgt die Lichtanzeige. Die Taste S1 ist für den anfänglichen Reset des Mikrocontrollers vorgesehen. Die Schalter S2 und S3 stellen die Betriebsarten des Gerätes ein. Mit einem variablen Widerstand R29 wird die Empfindlichkeit des Metalldetektors eingestellt. Funktionierender Algorithmus Um das Funktionsprinzip des in Abb. beschriebenen Impulsmetalldetektors zu verdeutlichen. In Abb. 28 zeigt Signalverläufe an den wichtigsten Punkten des Geräts.
Zum Zeitpunkt des Intervalls A öffnet sich der Schlüssel VT1. Ein Sägezahnstrom beginnt durch die Sensorspule zu fließen – Wellenform 2. Wenn der Strom etwa 2 A erreicht, schließt sich der Schlüssel. Am Drain des Transistors VT1 entsteht ein Selbstinduktionsspannungsstoß – Wellenform 1. Die Stärke dieses Spannungsstoßes beträgt mehr als 300 V (!) und wird durch die Widerstände R1, R3 begrenzt. Um eine Überlastung des Verstärkungspfads zu verhindern, werden Begrenzungsdioden VD1, VD2 verwendet. Zu diesem Zweck wird für die Zeit des Intervalls A (Energiespeicherung in der Spule) und des Intervalls B (Ausstoß der Selbstinduktion) die Taste D2.1 geöffnet. Dadurch wird die End-to-End-Verstärkung des Pfads von 400 auf 7 reduziert. Oszillogramm 3 zeigt das Signal am Ausgang des Verstärkungspfads (Pin 8 D1.2). Ab Intervall C schließt die Taste D2.1 und die Verstärkung des Pfades wird groß. Nach Ablauf des Schutzintervalls C, in dem der Verstärkungspfad in den Modus wechselt, wird die Taste D2.2 geöffnet und die Taste D2.4 geschlossen – die Integration des Nutzsignals beginnt – Intervall D. Nach diesem Intervall wird die Taste D2.2 .2.4 schließt sich und der Schlüssel D6 öffnet sich – die „umgekehrte“ Integration beginnt. Während dieser Zeit (Intervalle E und F) ist der Kondensator C1.0 vollständig entladen. Mithilfe des eingebauten Analogkomparators misst der Mikrocontroller den Wert des Intervalls E, der sich als proportional zum Pegel des Eingangsnutzsignals erweist. Für die Firmware-Version XNUMX sind folgende Intervallwerte eingestellt:
Der Mikrocontroller verarbeitet die empfangenen digitalen Daten und zeigt mithilfe der VD3-VD8-LEDs und des Y1-Schallsenders den Grad des Aufpralls des Ziels auf den Sensor an. Die LED-Anzeige ist ein Analogon einer Zeigeranzeige – wenn kein Ziel vorhanden ist, leuchtet die VD8-LED auf, dann leuchten je nach Belichtungsgrad nacheinander VD7, VD6 usw. auf. Teiletypen und Design Anstelle des Operationsverstärkers D1 TL074N können Sie versuchen, TL084N oder zwei Doppel-Operationsverstärker der Typen TL072N, TL082N zu verwenden. Der D2-Chip ist ein Quad-Analogschlüssel vom Typ CD4066, der durch einen heimischen K561KTZ-Chip ersetzt werden kann. Der Mikrocontroller D4 AT90S2313-10PI hat keine direkten Analoga. Der Schaltkreis stellt keine Schaltkreise für seine In-Circuit-Programmierung bereit, daher empfiehlt es sich, den Controller auf einer Steckdose zu installieren, damit er umprogrammiert werden kann. Der Stabilisator 78L05 kann im Extremfall durch KR142EN5A ersetzt werden. Transistor VT1 Typ IRF740 kann durch IRF840 ersetzt werden. Die Transistoren VT2-VT4 Typ 2N5551 können durch KT503 mit beliebigem Buchstabenindex ersetzt werden. Allerdings sollte man darauf achten, dass sie eine andere Pinbelegung haben. LEDs können von jedem Typ sein, VD8 ist wünschenswert, um eine andere Leuchtfarbe anzunehmen. Dioden VD1, VD2 Typ 1N4148. Widerstände können beliebiger Art sein, R1 und R3 müssen eine Verlustleistung von 0,5 W haben, der Rest kann 0,125 oder 0,25 W betragen. Es ist wünschenswert, R9 und R11 so auszuwählen, dass sich ihr Widerstand um nicht mehr als 5 % unterscheidet. Es ist wünschenswert, einen abgestimmten Widerstand R7 mit mehreren Umdrehungen zu verwenden. Kondensator C1 ist elektrolytisch, für eine Spannung von 16 V sind die restlichen Kondensatoren aus Keramik. Es ist wünschenswert, den Kondensator C6 mit einem guten TKE zu verwenden. Knopf S1, Schalter S2-S4, variabler Widerstand R29 können von jedem Typ sein, der in die Größe passt. Als Tonquelle können Sie einen Piezo-Emitter oder Kopfhörer vom Player verwenden. Das Design des Gerätekörpers kann beliebig sein. Der Stab in der Nähe des Sensors (bis zu 1 m) und der Sensor selbst sollten keine Metallteile und Befestigungselemente aufweisen. Es ist zweckmäßig, eine Teleskop-Angelrute aus Kunststoff als Ausgangsmaterial für die Herstellung einer Rute zu verwenden. Der Sensor enthält 27 Drahtwindungen mit einem Durchmesser von 0,6 ... 0,8 mm, aufgewickelt auf einen Dorn 190 mm. Der Sensor hat keine Abschirmung und seine Befestigung an der Stange sollte ohne den Einsatz massiver Schrauben, Bolzen usw. erfolgen. (!) Ansonsten kann die Herstellungstechnologie die gleiche sein wie bei einem Induktionsmetalldetektor. Für die Verbindung von Sensor und Elektronikeinheit kann aufgrund der hohen Kapazität kein geschirmtes Kabel verwendet werden. Für diese Zwecke ist es notwendig, zwei miteinander verdrillte isolierte Drähte, beispielsweise vom Typ MGSHV, zu verwenden. Einrichten des Geräts Aufmerksamkeit! Das Gerät steht unter hoher, möglicherweise lebensgefährlicher Spannung – am VT1-Kollektor und am Sensor. Deshalb sind bei der Aufstellung und dem Betrieb elektrische Sicherheitsmaßnahmen zu beachten. Es wird empfohlen, das Gerät in folgender Reihenfolge aufzustellen: 1. Stellen Sie sicher, dass die Installation korrekt ist. 2. Strom anlegen und sicherstellen, dass der gezogene Strom 100 (mA) nicht überschreitet. 3. Erzielen Sie mithilfe des Trimmerwiderstands R7 einen solchen Ausgleich des Verstärkungspfads, dass die Wellenform an Pin 7 D1.4 der Wellenform 4 in Abb. entspricht. 28. In diesem Fall muss sichergestellt werden, dass das Signal am Ende des Intervalls D unverändert ist, d.h. Die Wellenform an dieser Stelle sollte horizontal sein. Ein ordnungsgemäß zusammengebautes Gerät erfordert keine weitere Konfiguration. Es ist notwendig, den Sensor an einen Metallgegenstand zu bringen und sicherzustellen, dass die Anzeigeelemente funktionieren. Eine Beschreibung der Bedienung der Bedienelemente finden Sie in der Beschreibung der Software. Software Zum Zeitpunkt der Erstellung dieses Artikels wurden die Softwareversionen 1.0 und 1.1 entwickelt und getestet. Den „Firmware“-Code der Version 1.0 im Intel HEX-Format finden Sie im Internet auf der persönlichen Seite von Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. Die kommerzielle Version 1.1 der Software soll in Form bereits programmierter Mikrocontroller als Teil von Kits von Master Kit geliefert werden. Version 1.0 implementiert die folgenden Funktionen:
Der Unterschied zwischen der Softwareversion 1.1 besteht darin, dass Sie die Empfindlichkeit des Geräts über einen variablen Widerstand R29 einstellen können. Die Arbeit an neuen Versionen der Software geht weiter, die Einführung zusätzlicher Modi ist geplant. Zur Steuerung der neuen Modi sind die Schalter S1, S2 reserviert. Neue Versionen werden nach ausführlichen Tests in „Master Kit“-Sets erhältlich sein. Informationen über neue Versionen werden im Internet auf der persönlichen Seite von Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm, veröffentlicht. Autor: Shchedrin A.I.
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Kommentare zum Artikel: Dmitry Hallo! Und warum wird der Controller AT90S2313-10PI gewählt. Unterscheidet es (Metalldetektor) zwischen Eisen- und Nichteisenmetallen? Ich habe den Wunsch, einen Metalldetektor auf dem STM32F030F4P6-Controller herzustellen (wir haben 50 R / Stk.). Oder bei einem mehrbeinigen Gefährten, wenn es nicht genug Beine gibt ... Ich studiere die Funktionsprinzipien ... Soweit ich es verstehe, ist die Aufgabe des Controllers wie folgt: 1) Legen Sie Spannung an die Spule an (Ausgang T0) 2) Aktivieren Sie den Verstärkerschutz gegen Rückwärtsimpuls (T1) 3) Deaktivieren Sie die Spule und warten Sie auf die Dämpfung des Selbstinduktionsimpulses 4) Schalten Sie den Verstärkerschutz (Pin T1) aus und schalten Sie die Verarbeitung des Nutzsignals ein Signal (Pin T2) 5) Schalten Sie den Timer ein. 6) Nehmen Sie bei Unterbrechung durch den Trigger, der mit dem T3-Pin verbunden ist, die Messwerte vom Timer. 7) Vergleichen Sie den Wert mit der Referenz und geben Sie die entsprechende Anzeige. Danke für den hilfreichen Artikel. Als ausgebildeter Baumeister bitte ich Sie, mich nicht wegen Ungenauigkeiten zu treten. Dies wird das 2. Projekt sein, das Controller verwendet, und das 4. oder 5. insgesamt von der Elektronik.
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