Металлоискатель типа "передатчик-приёмник"
Металлоискатели всегда привлекали внимание разработчиков электронной аппаратуры. Поэтому на эту тему существует большое количество публикаций.
По способу получения сигнала металлоискатели можно подразделить на две группы:
1. Индикаторного типа, имеющие одну выносную катушку индуктивности, которая подключается к генератору. При приближении данной катушки к металлическому предмету происходит изменение частоты генератора или уменьшение её амплитуды (срыв частоты).
2. Типа «передатчик – приёмник». Передатчик с помощью переменного электромагнитного поля наводит в металлическом предмете так называемые вихревые токи и, как следствие, в данном предмете возникает собственное электромагнитное поле, которое улавливается приёмником. Катушки такого металлоискателя (передатчика и приёмника) могут быть как рамочного типа, так и намотанные на ферритовых сердечниках. Последние имеют преимущество в том, что позволяют осуществлять поиск мелких металлических предметов находящихся на достаточно большой глубине.
Предлагаемый металлоискатель работает по принципу «передача – приём». При этом как приёмная, так и передающая антенны состоят из катушки, намотанной на ферритовом стержне, и конденсатора, образующего с катушкой колебательный контур.
Генератор передатчика металлоискателя выдаёт несущую частоту 50 КГц, которая модулируется частотой 1КГц. Следует отметить, что несущая частота должна находиться, как показал опыт, в пределах 30 – 60 КГц, ибо при её уменьшении снижается чувствительность металлоискателя, а при увеличении возрастает емкостной эффект.
Принципиальная схема металлоискателя приведена на Рис.1. Металлоискатель состоит из: блока управления - на микроконтроллере ATtiny2313V-20PI (DD2); цепи сброса микроконтроллера – на логических элементах микросхемы CD4001B (DD1.1, DD1.2); модулятора – на логическом элементе микросхемы CD4001 (DD1.3); выходного каскада передатчика (повторителя напряжения) – на транзисторе ВС847В (VT3); звукового сигнализатора металла – на транзисторе BC847B (VT2), нагруженного на звуковой излучатель HCM1605F (G1); светового сигнализатора металла - на светодиоде АЛ307БМ (HL3); приёмника – на транзисторе BC847B (VT3) и микросхеме LM358N (DA3.1); амплитудного детектора сигналов - на диодных сборках BAV-70 (DA1, DA2), накопительном конденсаторе 1,0 мкФ (С4) и разрядном транзисторе BC847B (VT4); блоке стабилизации напряжения и слежения - на микросхеме MAX 667 (D1);индикатора разряда аккумулятора – на транзисторе BC847B (VT1) и светодиоде АЛ307БМ (HL1); индикатора присутствия напряжения питания – на светодиоде АЛ307БМ (HL2).
Схема работает следующим образом. Несущая частота 50 КГц, поступающая на модулятор DD1.3 c вывода 15 (РВ3) блока управления DD2, модулируется частотой 1 КГц, которая поступает на модулятор с вывода 14 (РВ2) DD2. Промодулированная частота через выходной каскад поступает на катушку связи магнитной антенны WA1. Сигнал от электромагнитного поля какого – либо металлического предмета улавливается магнитной антенной WA2 и через катушку связи поступает в приёмник, где он усиливается, а высокочастотные составляющие (>50 КГц) фильтруются. Далее сигнал детектируется и заряжает накопительный конденсатор С4, который соединён через токоограничивающий резистор R14 с прямым входом компаратора микроконтроллера DD2 (вывод 12). Данный уровень напряжения сравнивается с уровнем напряжения, который определяется цепочкой резисторов R13, R15 и RP1, на инверсном входе компаратора (вывод 13). Фактически переменный резистор RP1 определяет чувствительность металлоискателя. Следует отметить, что заряд накопительного конденсатора может происходить только при посылке пачки импульсов 50 КГц. В положительном полупериоде частоты 1 КГц, когда этого не происходит, С4 разряжается через разрядный транзистор VT4, что позволяет увеличить быстродействие и помехоустойчивость металлоискателя.
При превышении уровня напряжения на прямом входе компаратора относительно инверсного включается световой сигнализатор (HL3) и с вывода 9 (PD5) DD2 через разделительный конденсатор С5 на звуковой сигнализатор подаётся тональный сигнал.
Микросхема D1 стабилизирует напряжение питания 5В и отслеживает напряжение заряда аккумулятора. При напряжении аккумулятора равном или меньше 5,5 В на её выводе 7 появляется напряжение высокого уровня, которое, открывая транзистор VT1, включает светодиод HL1.
Питание приёмника и выходного каскада передатчика развязано посредством применения LC – фильтров.
Схема металлоискателя размещена на плате размерами 65х110 мм (см. Рис. 2). Монтаж элементов выполнен в основном по SMD – технологии. Резисторы и керамические конденсаторы имеют типоразмер 1206, электролитические конденсаторы – танталовые типоразмера D. Катушки использованы от старых транзисторных приёмников. В качестве магнитных антенн применены длинноволновые катушки и ферритовые стержни (600 – 800 НН) диаметром 8 – 10 мм и длиной 90мм (от тех же приёмников).
Для того, чтобы система работала необходимо исключить (или до минимума ослабить) прямое попадание сигнала передатчика в приёмник, поэтому их катушки располагают так, чтобы в отсутствии посторонних металлических предметов, связи между ними практически не было, т.е. оси магнитных антенн должны быть строго перпендикулярны. На Рис.3 представлена конструкция металлоискателя, выполненная в типовом корпусе G758(V), имеющим размеры 260х180х65 мм, и металлические боковые стенки которого заменены на пластиковые.
Рис.3 - Конструкция металлоискателя
Соединения выводов катушек с платой необходимо произвести с помощью коаксиального кабеля типа РК-50. Контурные конденсаторы С1 и С13 целесообразнее, как показала практика, размещать непосредственно на корпусах длинноволновых катушек.
Варьируя расстоянием между катушками магнитных антенн и катушками связи, а также номиналами конденсаторов С1 и С13 (в отсутствии посторонних металлических предметов) необходимо добиться практически нулевого значения напряжения на накопительном конденсаторе С4, что будет свидетельствовать о максимальной чувствительности металлоискателя. При подносе пластинки фольгированного текстолита размерами 170х140 мм к днищу (или крышке) корпуса на расстояние не меньше 60 см, напряжение на С4 должно увеличиваться. Затем приближая и удаляя данную пластинку, переменным резистором RP1 устанавливается нужный порог срабатывания компаратора. Cистему можно подстроить внесением дополнительного металлического предмета. Так, например, автора устроил так называемый «пляжный вариант», когда поиск предметов можно производить до глубины их залегания 15 -20 см, при этом одна металлическая стенка корпуса, дальняя от магнитной антенны передатчика, не была заменена на пластиковую и присоединена к GND схемы.
Вообще, здесь открывается широкое поле для экспериментальных исследований в свете увеличения чувствительности и глубинности поиска, поэтому в программу (см. ниже) внесена возможность изменения несущей частоты.
Файлы для изготовления платы металлоискателя находятся в прилагаемой папке «FILE PCAD». Плату и комплектацию к ней можно заказать на сайте <www.avr.ru>.
Программа для микроконтроллера металлоискателя содержит основной цикл, в котором происходит проверка срабатывания компаратора. При срабатывании включается светодиод - PORTD.6 и выдаётся звуковой сигнал – PORTD.5. TIMER1 cконфигурирован на получение несущей частоты, а TIMER0 – модулирующей частоты. Количество отсчётов определяется следующим образом:
N = Fc / (Ft * K * 2)
Fc – тактовая частота микроконтроллера;
Ft – требуемая частота таймера;
К – коэффициент деления частоты.
Следует отметить, что счёт таймера 1 происходит от 0 до N, а счёт таймера 0 от (255-N) до 255. При достижении значения 255 происходит прерывание по переполнению, при обработке которого (подпрограмма «Pulse) происходит переключение вывода OC0A (PB2), а таймеру 0 вновь присваивается значение (255-N). В результате на выводе РВ2 появляются импульсы частотой 1 КГц. Для получения оптимального результата программа содержит возможность варьирования значением несущей частоты путём изменения предела счёта таймера 1 (50 КГц – 80, 45 КГц – 89, 40 КГц – 100, 35 КГц – 114). Текст программы приведён ниже.
'Название программы "metall.bas"
'Предназначена для металлоискателя
'Внутряняя частота микроконтроллера - 8МГц
'Вырабатывает две частоты:
'таймер1 - XКГц (8000000Гц/(X0000Гц*2)=Hlimit отсчётов)
'таймер0 - 1КГц (8000000Гц/(64*1000*2)=63 отсчётов),255-63=192-Llimit
'Используется компаратор микроконтроллера
$regfile = "attiny2313a.dat" 'настройки микроконтроллера
$crystal = 8000000 'внутренняя частота микроконтроллера (Гц)
$hwstack = 40
$swstack = 16
$framesize = 32
'$sim 'симулирование программы
Config Pinb.3 = Output 'выход несущей частоты
Config Pinb.2 = Output 'выход частоты 1КГц
Config Pinb.1 = Input 'вход компаратора "-"
Config Pinb.0 = Input 'вход компаратора "+"
Config Pind.6 = Output 'выход на светодиод "Металл"
Config Pind.5 = Output 'выход звукового сигнала
Set Portb.2
Set Portb.3
Config Aci = On , Compare = Off 'включ. компаратора, откл. функции захвата
Signal Alias Portd.6 'определение PD6- выход светового сигнала "Металл"
Sounds Alias Portd.5 'определение PD5 - выход звукового сигнала
Comp Alias Acsr.5 'определение выхода компаратора
Lowfreq Alias Portb.2 'низкочастотный выход
Higfreq Alias Portb.3 'высокочастотный выход (несущая частота)
Config Timer0 = Timer , Prescale = 64 'коэфф.деления таймер0 = 64
Config Timer1 = Timer , Prescale = 1 , Compare A = Toggle , Clear Timer = 1 'коэфф.дел.=1, переключение вывода OC1A
'при достижении знач. регистра сравнения, очистка таймера при переключении
Stop Timer0 'остановка таймеров
Stop Timer1
On Timer0 Pulse 'определение подпрограммы обработки прерываний по переполнению таймера0
Const Hlimit = 80 'предел счёта (верхний) таймера1-частота 50КГц
'Const Hlimit = 89 'тоже частота 45КГц '
'Const Hlimit = 100 'тоже частота 40КГц
'Const Hlimit = 114 'тоже частота 35КГц
Compare1a = Hlimit 'запись в регистр сравнения таймера1
Const Llimit = 192 'предел счёта (нижний) таймера0 (частота 1КГц)
Enable Interrupts 'разрешение прерываний
Enable Timer0 'разрешение прерываний по переполнению тймера0
Timer0 = Llimit 'задание начальных значений таймерам
Timer1 = 0
Start Timer0 'запуск таймеров
Start Timer1
Do 'основной цикл
If Comp = 1 Then 'если на выходе комп. лог.1
Set Signal 'включение светового сигнала
Sound Sounds , 200 , 600 'включение звукового сигнала
Else
Reset Signal 'выключение светового и звукового сигналов
Reset Sounds
End If
Loop
Pulse: 'подпрограмма обработки прерываний по переполнению таймера 0
Stop Timer0 'останов таймера 0
Timer0 = Llimit 'запись в таймер 0 начального значения
Toggle Lowfreq 'переключение низкочастотного выхода
Start Timer0 'запуск таймера 0
Return
End 'end program
Cкомпилированная программа «metall.bas» находится в прилагаемой к статье папке «Metal_seek_prog».
Демонстрационную версию cистемы разработки программ BASCOM – AVR можно скачать по адресу <www.mcselec.com/download> . Она отличается от полноценной коммерческой только тем, что не позволяет создавать программы, занимающие в памяти микроконтроллера более двух килобайт.
Автор andre