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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Pulso detector de metais. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / detectores de metal O detector de metais pulsado que chamamos a sua atenção é um desenvolvimento conjunto do autor e engenheiro de Donetsk (Ucrânia) Yuri Kolokolov (endereço na Internet - home.skif.net/~yukol/index.htm), através de cujos esforços foi possível traduzir a ideia em um produto acabado baseado em um microcontrolador programável de chip único. Ele desenvolveu o software e também realizou testes em grande escala e extenso trabalho de depuração. Atualmente, a empresa "Master Kit" de Moscou planeja produzir kits para rádios amadores para automontagem do detector de metais descrito. O kit conterá uma placa de circuito impresso e componentes eletrônicos, incluindo um controlador pré-programado. Talvez, para muitos amantes da busca por tesouros e relíquias, a compra de tal kit e sua subsequente montagem simples seja uma alternativa conveniente à compra de um dispositivo industrial caro ou à fabricação de um detector de metais por conta própria. Para aqueles que se sentem confiantes e estão prontos para tentar fabricar e programar um detector de metais por pulso microprocessado, a página pessoal de Yuri Kolokolov na Internet contém o código para uma versão de avaliação do firmware do controlador no formato Intel HEX e outras informações úteis. Esta versão do firmware difere da versão completa pela ausência de alguns modos de operação do detector de metais. O princípio de operação de um detector de metais por corrente parasita ou pulsada é baseado na excitação de correntes parasitas pulsadas em um objeto de metal e na medição do campo eletromagnético secundário que essas correntes induzem. Neste caso, o sinal de excitação é fornecido à bobina transmissora do sensor não constantemente, mas periodicamente na forma de pulsos. Em objetos condutores, são induzidas correntes parasitas amortecidas, que excitam um campo eletromagnético amortecido. Este campo, por sua vez, induz uma corrente amortecida na bobina receptora do sensor. Dependendo das propriedades condutoras e do tamanho do objeto, o sinal muda sua forma e duração. Na Fig. 24. O sinal na bobina receptora de um detector de metal pulsado é mostrado esquematicamente.
Os detectores de metal por pulso têm suas vantagens e desvantagens. As vantagens incluem baixa sensibilidade ao solo mineralizado e água salgada, as desvantagens são baixa seletividade por tipo de metal e consumo de energia relativamente alto. Projeto prático A maioria dos projetos práticos de detectores de metal pulsados são construídos usando um circuito de duas bobinas ou um circuito de bobina única com uma fonte de energia adicional. No primeiro caso, o dispositivo possui bobinas receptoras e emissoras separadas, o que complica o projeto do sensor. No segundo caso, existe apenas uma bobina no sensor e, para amplificar o sinal útil, é utilizado um amplificador, que é alimentado por uma fonte de alimentação adicional. O significado desta construção é o seguinte - o sinal de autoindução tem um potencial maior que o potencial da fonte de energia usada para fornecer corrente à bobina transmissora. Portanto, para amplificar tal sinal, o amplificador deve possuir fonte de alimentação própria, cujo potencial deve ser superior à tensão do sinal que está sendo amplificado. Isto também complica o design do dispositivo. O projeto de bobina única proposto é construído de acordo com um esquema original, desprovido das desvantagens acima. Principais características técnicas
Profundidade de detecção:
Apesar da relativa simplicidade do projeto do detector de metais pulsado proposto, sua fabricação em casa pode ser difícil devido à necessidade de inserir um programa especial no microcontrolador. Isso só pode ser feito se você tiver as qualificações e software e hardware apropriados para trabalhar com o microcontrolador. Esquema estrutural O diagrama de blocos é mostrado na Fig. 25 A base do dispositivo é um microcontrolador. Com sua ajuda, são formados intervalos de tempo para controle de todos os componentes do dispositivo, bem como indicação e controle geral do dispositivo. Usando um interruptor poderoso, a energia é acumulada pulsadamente na bobina do sensor e, em seguida, a corrente é interrompida, após o que ocorre um pulso de autoindução, excitando um campo eletromagnético no alvo.
O destaque do circuito proposto é a utilização de um amplificador diferencial no estágio de entrada. Serve para amplificar um sinal cuja tensão é superior à tensão de alimentação e ligá-lo a um determinado potencial (+5 V). Para amplificação adicional, é usado um amplificador receptor com alto ganho. O primeiro integrador é usado para medir o sinal útil. Durante a integração direta, o sinal útil é acumulado na forma de tensão e, durante a integração reversa, o resultado é convertido em duração de pulso. O segundo integrador possui uma grande constante de integração (240 ms) e serve para equilibrar o caminho de amplificação em relação à corrente contínua. Diagrama esquemático O diagrama esquemático de um detector de metais por pulso é mostrado na Fig. 26 - amplificador diferencial, amplificador receptor, integradores e interruptor potente.
Na Fig. A Figura 27 mostra o microcontrolador e controles e indicações. O projeto proposto é desenvolvido inteiramente com base em elementos importados. São utilizados os componentes mais comuns dos principais fabricantes. Você pode tentar substituir alguns elementos por domésticos, isso será discutido a seguir. A maioria dos elementos utilizados não é escassa e pode ser adquirida nas grandes cidades da Rússia e da CEI por meio de empresas que vendem componentes eletrônicos.
Um interruptor poderoso é montado em um transistor de efeito de campo VT1. Como o transistor de efeito de campo utilizado, tipo IRF740, possui uma capacitância de porta superior a 1000 pF, um estágio preliminar no transistor VT2 é usado para fechá-lo rapidamente. A velocidade de abertura de uma chave potente não é mais tão crítica devido ao fato de que a corrente na carga indutiva aumenta gradativamente. Os resistores R1, R3 são projetados para “amortecer” a energia da autoindução. Sua classificação foi escolhida por razões de operação segura do transistor VT1, além de garantir a natureza aperiódica do processo transitório no circuito, que é formado pela indutância do sensor e pela capacitância parasita entre espiras. Os diodos de proteção VD1, VD2 limitam as quedas de tensão na entrada do amplificador diferencial. O amplificador diferencial é montado usando amplificador operacional D1.1. O Chip D1 é um amplificador operacional quádruplo tipo TL074. Suas propriedades distintivas são alta velocidade, baixo consumo, baixo nível de ruído, alta impedância de entrada e capacidade de operar em tensões de entrada próximas à tensão de alimentação. Estas propriedades determinaram sua utilização em um amplificador diferencial em particular e no circuito em geral. O ganho do amplificador diferencial é de cerca de 7 e é determinado pelos valores dos resistores R3, R6-R9, R11. O amplificador receptor D1.2 é um amplificador não inversor com ganho de 56. Durante a ação da parte de alta tensão do pulso de autoindução, este coeficiente é reduzido para 1 usando a chave analógica D2.1. Isto evita a sobrecarga do caminho de amplificação de entrada e garante uma rápida entrada no modo para amplificar um sinal fraco. O transistor VT3, assim como o transistor VT4, são projetados para combinar os níveis dos sinais de controle fornecidos pelo microcontrolador aos interruptores analógicos. Usando o segundo integrador D1.3, o circuito amplificador de entrada é automaticamente balanceado para corrente contínua. A constante de integração de 240 ms é escolhida para ser grande o suficiente para que este feedback não afete o ganho do sinal desejado que muda rapidamente. Usando este integrador, a saída do amplificador D1.2 mantém um nível de +5 V na ausência de sinal. O primeiro integrador de medição é feito em D1.4. Durante a integração do sinal útil, a chave D2.2 abre e, consequentemente, a chave D2.4 fecha. Um inversor lógico é implementado na chave D2.3. Após a conclusão da integração do sinal, a chave D2.2 fecha e a chave D2.4 abre. O capacitor de armazenamento C6 começa a descarregar através do resistor R21. O tempo de descarga será proporcional à tensão estabelecida no capacitor C6 ao final da integração do sinal útil. Esse tempo é medido por meio de um microcontrolador que realiza a conversão analógico-digital. Para medir o tempo de descarga do capacitor C6, são utilizados um comparador analógico e temporizadores, que estão embutidos no microcontrolador D3. Os LEDs VD3...VD8 fornecem indicação luminosa. O botão S1 destina-se ao reset inicial do microcontrolador. Através dos interruptores S2 e S3, os modos de operação do dispositivo são definidos. Usando o resistor variável R29, a sensibilidade do detector de metais é ajustada. Algoritmo de funcionamento Para explicar o princípio de funcionamento do detector de metais por pulso descrito na Fig. A Figura 28 mostra oscilogramas dos sinais nos pontos mais importantes do dispositivo.
Durante o intervalo A, a chave VT1 abre. Uma corrente em dente de serra começa a fluir pela bobina do sensor - oscilograma 2. Quando a corrente atinge cerca de 2 A, a chave fecha. No dreno do transistor VT1, ocorre um surto de tensão de autoindução - oscilograma 1. A magnitude desse surto é superior a 300 V (!) e é limitada pelos resistores R1, R3. Para evitar sobrecarga do caminho de amplificação, são utilizados diodos limitadores VD1, VD2. Além disso, para este fim, durante o intervalo A (acúmulo de energia na bobina) e intervalo B (liberação da autoindução), a chave D2.1 é aberta. Isso reduz o ganho ponta a ponta do caminho de 400 para 7. O oscilograma 3 mostra o sinal na saída do caminho de amplificação (pino 8 de D1.2). A partir do intervalo C, a chave D2.1 fecha e o ganho do caminho torna-se grande. Após a conclusão do intervalo de guarda C, durante o qual o caminho de amplificação entra no modo, a chave D2.2 abre e a chave D2.4 fecha - começa a integração do sinal útil - intervalo D. Após este intervalo, a chave D2.2 fecha e a chave D2.4 abre - a integração “reversa” começa. Durante este tempo (intervalos E e F), o capacitor C6 está completamente descarregado. Usando um comparador analógico integrado, o microcontrolador mede o valor do intervalo E, que é proporcional ao nível do sinal útil de entrada. A versão 1.0 do firmware possui os seguintes valores de intervalo:
O microcontrolador processa os dados digitais recebidos e indica, por meio dos LEDs VD3-VD8 e do emissor de som Y1, o grau de impacto do alvo no sensor. A indicação do LED é análoga a um relógio comparador - se não houver alvo, o LED VD8 acende e, dependendo do nível de impacto, VD7, VD6, etc. Tipos de peças e design Em vez do amplificador operacional D1 TL074N, você pode tentar usar o TL084N ou dois amplificadores operacionais duplos dos tipos TL072N, TL082N. O chip D2 é um switch analógico quádruplo do tipo CD4066, que pode ser substituído pelo chip doméstico K561KTZ. O microcontrolador D4 AT90S2313-10PI não possui análogos diretos. O circuito não fornece circuitos para sua programação in-circuit, por isso é aconselhável instalar o controlador em uma tomada para que possa ser reprogramado. O estabilizador 78L05 pode, em casos extremos, ser substituído pelo KR142EN5A. O transistor VT1 tipo IRF740 pode ser substituído por IRF840. Os transistores VT2-VT4 tipo 2N5551 podem ser substituídos por KT503 com qualquer índice de letras. No entanto, você deve prestar atenção ao fato de que eles possuem pinagens diferentes. Os LEDs podem ser de qualquer tipo, é aconselhável levar o VD8 em uma cor diferente. Diodos VD1, VD2 tipo 1N4148. Os resistores podem ser de qualquer tipo, R1 e R3 devem ter dissipação de potência de 0,5 W, o restante pode ser de 0,125 ou 0,25 W. É aconselhável selecionar R9 e R11 para que sua resistência não difira mais que 5%. É desejável usar um resistor sintonizado R7 multi-voltas. O capacitor C1 é eletrolítico, para uma tensão de 16 V, os demais capacitores são cerâmicos. É aconselhável levar o capacitor C6 com um bom TKE. Botão S1, interruptores S2-S4, resistor variável R29 podem ser de qualquer tipo que se ajuste às dimensões. Você pode usar um emissor piezo ou fones de ouvido do player como fonte de som. O design do corpo do dispositivo pode ser arbitrário. A haste próxima ao sensor (até 1 m) e o próprio sensor não devem possuir peças metálicas ou elementos de fixação. É conveniente usar uma vara de pescar telescópica de plástico como matéria-prima para fazer uma vara. O sensor contém 27 voltas de fio com diâmetro de 0,6...0,8 mm, enroladas em um mandril de 190 mm. O sensor não possui tela e deve ser fixado à haste sem o uso de parafusos maciços, pernos, etc. (!) Caso contrário, a tecnologia para sua fabricação pode ser a mesma de um detector de metais por indução. Um cabo blindado não pode ser utilizado para conectar o sensor e a unidade eletrônica devido à sua alta capacitância. Para isso, é necessário utilizar dois fios isolados, por exemplo do tipo MGShV, torcidos entre si. Configurando o dispositivo Atenção! O dispositivo contém tensão alta e potencialmente fatal - no coletor VT1 e no sensor. Portanto, durante a configuração e operação, devem ser observadas precauções de segurança elétrica. Recomenda-se configurar o dispositivo na seguinte sequência: 1. Certifique-se de que a instalação esteja correta. 2. Ligue a alimentação e certifique-se de que a corrente consumida não exceda 100 (mA). 3. Usando o resistor de sintonia R7, consiga um equilíbrio do caminho de amplificação de modo que o oscilograma no pino 7 de D1.4 corresponda ao oscilograma 4 na Fig. 28. Neste caso, é necessário garantir que o sinal no final do intervalo D permaneça inalterado, ou seja, O oscilograma neste ponto deve ser horizontal. Um dispositivo montado corretamente não requer ajustes adicionais. É necessário aproximar o sensor de um objeto metálico e certificar-se de que os indicadores estão funcionando. Uma descrição da operação dos controles é fornecida na descrição do software. software No momento da redação deste material, as versões 1.0 e 1.1 do software foram desenvolvidas e testadas. O código do firmware versão 1.0 no formato Intel HEX pode ser encontrado na Internet na página pessoal de Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. A versão comercial 1.1 do software está prevista para entrega na forma de microcontroladores já programados como parte de kits produzidos pela Master Kit. A versão 1.0 implementa os seguintes recursos:
A versão 1.1 do software é diferente porque permite ajustar a sensibilidade do dispositivo usando um resistor variável R29. O trabalho em novas versões do software continua e está prevista a introdução de modos adicionais. As chaves S1, S2 são reservadas para controlar novos modos. Novas versões, após extensos testes, estarão disponíveis em Master Kits. Informações sobre novas versões serão publicadas na Internet na página pessoal de Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. Autor: Shchedrin A.I.
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Comentários sobre o artigo: Dmitry Olá! E por que o controlador AT90S2313-10PI é escolhido. Ele (detector de metais) faz distinção entre metais ferrosos e não ferrosos? Tenho vontade de fazer um detector de metais no controlador STM32F030F4P6 (temos 50 r/pc). Ou em um companheiro mais multi-pernas, se não houver pernas suficientes ... estou estudando os princípios de operação ... Pelo que entendi, a tarefa do controlador é a seguinte: 1) Aplicar tensão à bobina (saída T0) 2) Habilite a proteção do amplificador contra impulso reverso (T1) 3) Desabilite a bobina e aguarde o amortecimento do pulso de auto-indução 4) Desligue a proteção do amplificador (pino T1) e ligue o processamento do sinal (pino T2) 5) Ligue o timer 6) Na interrupção do gatilho conectado ao pino T3, faça as leituras do timer 7) Compare o valor com a referência e dê a indicação correspondente. Obrigado pelo artigo útil. Construtor por educação, peço-lhe que não me chute por imprecisões. Este será o 2º projeto usando controladores e o 4º ou 5º geral de eletrônica.
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