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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Detector de metais baseado no princípio de um medidor de frequência eletrônico. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / detectores de metal Este é um desenvolvimento conjunto do autor e do engenheiro de Donetsk (Ucrânia) Yuri Kolokolov (o endereço de sua página pessoal na Internet é home.skif.net/-yukol/index.htm), que conseguiu transformar a ideia em um produto acabado baseado em um microcontrolador programável de chip único. Ele desenvolveu o design e o software, além de realizar testes em escala real. Apesar da simplicidade do projeto do detector de metais proposto baseado no princípio de um frequencímetro, sua fabricação em casa pode ser difícil devido à necessidade de inserir um programa especial no microcontrolador. Isso pode ser feito apenas com a experiência e o firmware apropriados para trabalhar com o microcontrolador. Atualmente, a empresa "Master Kit" de Moscou domina a produção de kits para radioamadores para a automontagem do detector de metais descrito. O kit contém a placa de circuito impresso e os componentes eletrônicos, incluindo o controlador já programado. Talvez, para muitos amantes da caça ao tesouro e das relíquias, a compra do kit NM8041 (numerado de acordo com o catálogo do Master Kit) e sua posterior montagem simples se torne uma alternativa conveniente à compra de um dispositivo industrial caro ou à fabricação de um detector de metais completamente por conta própria. Para aqueles que se sentem autoconfiantes e estão prontos para tentar fazer e programar um detector de metais baseado em microprocessador, a página pessoal de Yuri Kolokolov na Internet contém a versão de teste do firmware do controlador no formato Intel Hex e outras informações úteis. Esta versão do firmware difere da versão completa, que é armazenada nos microcontroladores do conjunto NM8041, na ausência de modo dinâmico e alguns outros recursos. O princípio de operação do detector de metais considerado é baseado na medição da frequência do gerador com um frequencímetro eletrônico, cujo circuito inclui um sensor - um indutor. Nesse caso, não é o valor da frequência em si que carrega informações úteis, mas seu incremento, que ocorre quando o sensor se aproxima do alvo, e o sinal desse incremento. O detector de metais tem um alcance de detecção cerca de uma vez e meia maior que o do protótipo em batidas. Ao mesmo tempo, tem seletividade para metais. O baixo consumo de corrente e uma ampla gama de possíveis tensões de alimentação permitem uma ampla gama de opções para conectar baterias ou baterias. O dispositivo se ajusta automaticamente à frequência inicial do gerador de medição. Nesse caso, teoricamente, o valor da frequência pode estar na faixa de cerca de 100 Hz a 200 kHz, o que também oferece grandes oportunidades para a escolha do design do sensor. Em termos de número de peças, o detector de metais proposto não é mais difícil do que um detector de metais com batidas. Isso foi alcançado graças à implementação de software da maioria das funções em um microcontrolador de chip único. Principais características técnicas
Esquema estrutural O diagrama de blocos de um detector de metais, feito com base no princípio de um medidor de frequência eletrônico, é mostrado na fig. 12.
Na verdade, o detector de metais considerado consiste apenas em um gerador de medição e um medidor de frequência eletrônico. O diagrama de blocos é, antes, uma ilustração do algoritmo de seu funcionamento. E o algoritmo do detector de metais é o seguinte. Primeiro, o medidor de frequência eletrônico mede a frequência do oscilador de medição quando o sensor está longe de objetos de metal e ferromagnetos. Este valor é armazenado em um registrador de armazenamento. Então, em tempo real, o medidor de frequência mede a frequência do oscilador de medição. O valor da frequência de referência é subtraído dos valores obtidos e o resultado é enviado para o dispositivo de exibição. Diagrama esquemático O diagrama esquemático do detector de metais é mostrado na fig. 13.
O gerador de medição é construído no temporizador integral A1 tipo NE555 (analógico doméstico - K1006VI1). Este chip é usado de uma forma um tanto incomum - como um oscilador LC. O circuito oscilatório do gerador consiste nos capacitores C1*, C2* e no indutor do sensor L. A frequência de ressonância é determinada como para um circuito oscilatório convencional, enquanto a capacitância dos capacitores conectados em série C1* e C2* atua como o circuito capacitância. Ao usar um sensor típico com diâmetro de 180 ... 190 mm, contendo 100 voltas de fio e capacitâncias de capacitores C1 * = 0,047 μF e C2 * = 0,01 μF, a frequência de geração é de cerca de 20 kHz. Se necessário, a frequência do gerador pode ser alterada alterando as capacitâncias dos capacitores C1* e C2*. Nesse caso, é desejável que esses recipientes estejam em uma proporção aproximada de (4 ... 6): 1. O microcontrolador A2 é responsável por todas as outras funções de processamento do sinal do gerador de medição até a indicação. Este circuito utiliza um microcontrolador AT90S2313-10PI fabricado pela ATMEL. Este é um microcontrolador de chip único RISC de 8 bits e baixo custo. Tem um desempenho de 10 MIPS a 10 MHz. Contém: Flash de 2 KB, EEPROM de 128 bytes, 15 linhas de E/S, 32 registradores de operação, dois temporizadores/contadores, temporizador watchdog, comparador analógico, porta serial universal. Para resolver o problema, o microcontrolador selecionado possui características técnicas suficientemente altas a um preço relativamente baixo. Conectados diretamente ao chip do microcontrolador estão os controles e as indicações. O resistor variável R6 ajusta a sensibilidade do dispositivo. Os LEDs VD1-VD3 indicam o nível de desvio da frequência do gerador de medição no caso de predominância do efeito ferromagnético. LEDs VD5...VD7 - em caso de predominância do efeito de condução. O LED VD4 indica uma mudança de frequência zero. O fone de ouvido ou emissor piezo Y é projetado para indicação sonora do desvio de frequência do sinal do gerador de medição. Usando a chave S1, o modo de operação do dispositivo é definido - estático ou dinâmico. No modo estático, o sinal, que é um código digital da diferença de frequência, é logarítmico e é exibido imediatamente. Cada nível de indicação de luz é acompanhado por seu próprio tom de indicação de som. O modo dinâmico é projetado para procurar alvos no contexto de interferência do solo, minerais, etc. No modo dinâmico, o sinal é submetido à filtragem digital, que separa o sinal útil do fundo dos sinais interferentes. Este dispositivo usa filtragem combinada ideal. Resumindo, sua essência reside no fato de que para qualquer sinal existe um filtro ideal que permite obter a resposta máxima em sua saída. Esse filtro digital é implementado para o sinal de dessintonização de frequência que ocorre quando a bobina de busca se move sobre pequenos alvos a uma velocidade de 0,5 ... 1 m/s. O filtro é implementado programaticamente no microcontrolador. O conector X1 é usado para conectar um computador no estágio de carregamento do programa no microcontrolador. Tipos de peças e design O design contém um número mínimo de peças. No entanto, não há requisitos especiais para eles. O chip temporizador A1 (NE555) pode ser substituído por KR1006VI1. É desejável escolher LEDs com maior brilho do brilho. O estabilizador A3 (LP2950) pode ser usado tipo 1184EN1 ou, um pouco pior, 78L05. Neste último caso, a tensão mínima permitida da bateria será de 6,7 V. O microcontrolador A2 é soldado diretamente na placa de circuito impresso (como o programa é inserido pelo conector, não há necessidade de removê-lo da placa mesmo que mude), mas se desejar, o microcontrolador também pode ser instalado no soquete . O chip AT90S2313-10PI pode ser substituído pelo AT90S2313-10PC, porém, neste caso, o fabricante não garante o funcionamento em temperaturas abaixo de 0°C (o que pode muito bem ser em campo). Os resistores podem ser usados em uma ampla variedade de tipos, para uma dissipação de potência de 0,063 ... 0,25 W. Capacitores C1 * e C2 * - é desejável usar os termicamente estáveis, especialmente C2 *. Capacitor eletrolítico C4 - qualquer tipo. Os capacitores restantes são de cerâmica, tipo K10-17. Tipos de ressoadores de quartzo RG-05, RK169 ou outros de pequeno porte. O sensor é uma bobina blindada. O design pode ser retirado deste livro. software A maioria das funções do dispositivo são atribuídas ao programa executado pelo microcontrolador e gravadas (programadas) em sua memória não volátil. No momento da redação deste material, o seguinte algoritmo de operação do dispositivo foi implementado. 1. Depois de iniciar o programa, pressionando o botão SO, o microcontrolador mede aproximadamente a frequência do oscilador de medição por um intervalo de tempo fixo (cerca de várias dezenas de milissegundos). 2. Em seguida, um temporizador interno do microcontrolador é ajustado de modo que a divisão da frequência de entrada resulte em um intervalo medido Ti ligeiramente menor que o intervalo fixo acima. 3. Em seguida, uma medição de controle do intervalo medido Ti é realizada usando o segundo temporizador, ao qual os pulsos de contagem são alimentados com uma frequência de relógio de vários megahertz. 4. O valor medido do intervalo de tempo Ti é armazenado e subsequentemente usado como uma referência Te. 5. A medição do intervalo Ti é repetida no ciclo. 6. Os intervalos Ti e Te são comparados subtraindo um do outro. 7. O resultado obtido é processado para sua percepção conveniente com a ajuda de indicação de luz e som. O software deste dispositivo foi criado e depurado por mais de dois anos e continua em constante aprimoramento, assim como a placa de circuito impresso. Talvez, no momento da leitura deste texto, o design e o software propostos já tenham sofrido alterações significativas. Para obter as informações mais recentes, recomendamos que você consulte a página pessoal de Yuri Kolokolov na Internet, home.skif.net/-yukol/index.htm, que contém informações sobre novas funcionalidades. Trabalhando com o dispositivo Quando a chave S1 é fechada, o dispositivo entra em modo estático. Neste modo, quando a bobina se aproxima do alvo ferromagnético, os LEDs VD3, VD2, VD1 começam a acender sequencialmente. Se a bobina for aproximada de um objeto de metal não ferromagnético, os LEDs VD5, VD6, VD7 acenderão. Infelizmente, o dispositivo reage da mesma forma a objetos de ferro com uma grande área de superfície (por exemplo, uma lata). Isso se deve ao fato de que, quando a bobina de busca é exposta a objetos ferromagnéticos de metal, dois efeitos aparecem ao mesmo tempo - o efeito de condução e o efeito ferromagnético. Em uma certa proporção da área da superfície do objeto para o volume, o efeito de condução começa a dominar. O dispositivo muda para o modo dinâmico quando o interruptor S1 é aberto. Nesse modo, o detector de metais tem a maior sensibilidade possível, mas reage aos objetos apenas quando o sensor se move - a bobina deve se mover acima do solo a uma velocidade de aproximadamente 0,5 ... 1 m / s. A localização do objeto no modo dinâmico é encontrada pelo método "garfo de artilharia" quando a bobina é passada sobre o objeto duas vezes - da esquerda para a direita e da direita para a esquerda. Neste modo, é importante sentir a menor velocidade com a qual você pode mover a bobina. É facilmente dominado com uma curta sessão de treinamento. A exibição no modo dinâmico parece um pouco diferente. Quando a bobina se move sobre um objeto ferromagnético, os LEDs da "escala" VD5, VD6, VD7 acendem primeiro e depois da "escala" VD3, VD2, VD1. Ao mover a bobina sobre um objeto não ferromagnético, a indicação funciona ao contrário. Conforme mencionado acima, cada LED tem seu próprio tom de indicação sonora. Após um breve trabalho com um detector de metais, são lembradas as "melodias" características de diferentes tipos de alvos. Isso permite que você use a indicação predominantemente sonora ao pesquisar, o que é bastante conveniente. Antes de iniciar o trabalho em ambos os modos, é necessário definir a sensibilidade ideal do dispositivo usando um resistor variável R6. É definido para uma posição quando o dispositivo começa a indicar respostas falsas. Em seguida, girando lentamente o rotor desse resistor, é necessário conseguir o desaparecimento de falsos positivos. Autor: Shchedrin A.I.
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