電子周波数計の原理に基づく金属探知機。スキーム、説明

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電子周波数計の原理を応用した金属探知機です。無線エレクトロニクスと電気工学の百科事典

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これは、ドネツク (ウクライナ) の著者とエンジニアのユーリコロコロフ (インターネット上の彼の個人ページのアドレスは home.skif.net/-yukol/index.htm) の共同開発であり、彼の努力により翻訳が可能になりました。このアイデアは、プログラマブルなシングルチップマイクロコントローラーに基づいた最終製品に組み込まれます。彼は設計とソフトウェアを開発し、本格的なテストも実行しました。

周波数計の原理に基づいて提案された金属検出器の設計は単純であるにもかかわらず、マイクロコントローラーに特別なプログラムを入力する必要があるため、家庭での製造が困難になる可能性があります。これは、マイクロコントローラーを操作するための適切な経験とハードウェアとソフトウェアがある場合にのみ実行できます。

現在、モスクワの会社「マスターキット」は、記載されている金属探知機を自己組み立てするためのアマチュア無線家向けのキットの製造を習得しています。キットには、プリント基板と、事前にプログラムされたコントローラーを含む電子部品が含まれています。おそらく、宝物や遺物を探すのが好きな多くの人にとって、NM8041 キット (Master Kit 会社のカタログに従って番号が付けられています) を購入し、その後の簡単な組み立ては、高価な産業用デバイスを購入したり、金属探知機は完全に自分たちで操作します。

自信があり、マイクロプロセッサー金属探知機の作成とプログラミングに挑戦する準備ができている人のために、インターネット上の Yuri Kolokolov の個人ページには、Intel Hex 形式のコントローラーファームウェアの評価版のコードとその他の役立つ情報が含まれています。このファームウェアバージョンは、ダイナミックモードやその他のいくつかの機能がない点で、NM8041 マイクロコントローラーに記録されているフルバージョンとは異なります。

問題の金属検出器の動作原理は、電子周波数計を使用して発電機の周波数を測定することに基づいており、その回路にはセンサーであるインダクタンスコイルが含まれています。この場合、有用な情報は周波数値そのものではなく、センサーがターゲットに近づくときに発生する周波数の増分と、この増分の符号によって伝えられます。

金属探知機の探知範囲は、打撃試作機に比べて約100倍となっています。同時に金属に対する選択性も備えています。消費電流が低く、可能な供給電圧の範囲が広いため、バッテリまたはバッテリの接続に幅広いオプションが可能です。デバイスは、測定ジェネレータの初期周波数に自動的に調整します。この場合、理論的には、周波数値は約 200 Hz ～ XNUMX kHz の範囲になる可能性があり、センサー設計を選択する大きな機会となります。部品の数という点では、提案された金属探知機は打撃式金属探知機と同じくらい複雑ではありません。これは、ほとんどの機能をシングルチップマイクロコントローラーにソフトウェア実装することで実現されました。

主な技術的特徴

構造スキーム

電子周波数計の原理に基づいて作られた金属探知機のブロック図を図に示します。 12.

電子周波数計の原理に基づく金属探知機
米。 12. 周波数計の原理による金属探知機の構造図

実際、問題の金属探知機は、測定発生器と電子周波数計だけで構成されています。構造図はむしろ、その動作アルゴリズムを図示したものです。

そして金属探知機自体のアルゴリズムは以下の通りです。まず、電子周波数計は、センサーが金属物体や強磁性体から離れているときに、測定発振器の周波数を測定します。この値は記憶レジスタに保存されます。次に、周波数計が測定用発振器の周波数をリアルタイムで測定します。取得した値から基準周波数の値が減算され、結果が指示装置に送信されます。

概略図

金属探知機の模式図を図13に示します。 XNUMX.

米。 13. 電子周波数計の原理に基づく金属探知機の概略図

測定ジェネレータは、統合タイマー A1 タイプ NE555 (国内アナログ - K1006VI1) に基づいて構築されています。このチップは、LC 発振器として、少し変わった方法で使用されます。発電機の発振回路は、コンデンサ C1*、C2* とセンサーインダクタ L で構成されます。共振周波数は従来の発振回路と同様に決定され、回路の静電容量は直列接続されたコンデンサ C1*、C2 の静電容量によって決まります。 *。 180 ターンのワイヤと C190* = 100 μF および C1* = 0,047 μF のコンデンサを含む、直径 2 ～ 0,01 mm の一般的なセンサーを使用する場合、生成周波数は約 20 kHz です。必要に応じて、コンデンサ C1* および C2* の静電容量を変更することにより、発電機の周波数を変更できます。この場合、これらのコンテナの比率は約 (4...6):1 であることが望ましいです。

マイクロコントローラー A2 は、ディスプレイに至るまでの測定発生器の信号を処理するための他のすべての機能を担当します。この回路にはATMEL社製AT90S2313-10PIマイコンを使用しています。これは、コスト効率の高い 8 ビット RISC シングルチップマイクロコントローラーです。 10 MHz で 10 MIPS のパフォーマンスを備えています。内容: 2 キロバイトのフラッシュメモリ、128 バイトの EEPROM、15 の I/O ライン、32 の作業レジスタ、XNUMX つのタイマー/カウンター、ウォッチドッグタイマー、アナログコンパレータ、ユニバーサルシリアルポート。この問題を解決するには、比較的低価格で十分な技術的特性を備えたマイクロコントローラーを選択します。

制御要素と表示要素は両方ともマイクロコントローラーチップに直接接続されています。可変抵抗器 R6 はデバイスの感度を調整します。 LED VD1 ～ VD3 は、強磁性効果が優勢な場合の測定発生器の周波数偏差のレベルを示します。 LED VD5...VD7 - 導電率効果が優勢な場合。 LED VD4 は周波数シフトがゼロであることを示します。イヤホンまたはピエゾエミッタ Y は、測定用ジェネレータ信号の周波数偏差を聴覚的に示すことを目的としています。スイッチ S1 を使用すると、デバイスの動作モードが静的または動的に設定されます。静的モードでは、周波数差のデジタルコードである信号が対数化され、直ちにディスプレイに送信されます。光の各レベルの表示には、独自の音のトーンの表示が伴います。

ダイナミックモードは、地面や鉱物などからの干渉を背景にターゲットを探索するように設計されています。ダイナミックモードでは、信号はデジタルフィルタリングを受け、有用な信号と背景の干渉信号が区別されます。このデバイスは、最適にマッチしたろ過を使用します。簡単に言うと、その本質は、どんな信号に対しても、その出力で最大の応答を得ることができる最適なフィルターがあるということです。このようなデジタルフィルターは、サーチコイルが小さなターゲット上を 0,5 ～ 1 m/s の速度で移動するときに発生する周波数離調信号に対して実装されます。フィルターはマイクロコントローラーのソフトウェアで実装されます。

コネクタ X1 は、マイコンにプログラムをロードする段階でコンピュータを接続するために使用されます。

部品の種類とデザイン

設計には最小限の部品が含まれています。同時に、特別な要件は提示されません。

A1タイマーチップ(NE555)はKR1006VI1に置き換え可能です。明るさの高いLEDを選択することをお勧めします。スタビライザー A3 (LP2950) は 1184EN1 のように使用できますが、78L05 のように使用できます。後者の場合、最小許容バッテリー電圧は 6,7 V になります。

A2マイコンはプリント基板に直接はんだ付けされています（プログラムはコネクタから入力するため、変更しても基板から取り外す必要はありません）が、ご希望に応じてマイコンをプリント基板に実装することも可能です。ソケット。 AT90S2313-10PI チップは AT90S2313-10PC に置き換えることができますが、この場合、メーカーは 0 °C 未満の温度での動作を保証しません (現場条件ではこれが当てはまる可能性があります)。

抵抗器は、消費電力が 0,063 ～ 0,25 W のさまざまなタイプで使用できます。コンデンサ C1* および C2* - 熱的に安定したコンデンサ、特に C2* を使用することをお勧めします。電解コンデンサ C4 - 任意のタイプ。残りのコンデンサはセラミック製で、タイプ K10-17 です。水晶振動子タイプ RG-05、RK169などの小型のもの。センサーはシールドコイルです。デザインはこの本から引用できます。

ソフトウェア

デバイスの機能のほとんどは、マイクロコントローラによって実行されるプログラムに割り当てられ、不揮発性メモリに記録（プログラム）されます。この資料の執筆時点では、デバイスの次の動作アルゴリズムが実装されています。

1. プログラム開始後、SO ボタンを押すと、マイコンは一定時間（数十ミリ秒程度）の間、測定用発電機の周波数を大まかに測定します。

2. 次に、マイクロコントローラの XNUMX つの内部タイマーが調整され、入力周波数を分周すると、測定間隔 Ti が上で指定した固定間隔よりわずかに小さくなります。

次に、数メガヘルツのクロック周波数でカウントパルスが供給される第２のタイマを使用して、測定間隔Ｔｉの制御測定が実行される。

4. 時間間隔 Ti の測定値は記憶され、その後基準 Te として使用されます。

5. Ti 間隔の測定がサイクルで繰り返されます。

6. 間隔 Ti と Te は、一方を他方から引くことによって比較されます。

7. 得られた結果は、光と音の表示により認識しやすいように処理されます。

このデバイスのソフトウェアは XNUMX 年以上にわたって作成およびデバッグされており、プリント基板と同様に常に改良され続けています。この文章を読んでいる時点で、提案された設計とソフトウェアはすでに大幅な変更を受けている可能性があります。最新情報については、インターネット上のゆりコロコロフの個人ページ、home.skif.net/-yukol/index.htm にアクセスすることをお勧めします。このページには、新機能に関する情報が含まれています。

デバイスの操作

スイッチ S1 が閉じると、デバイスは静的モードになります。このモードでは、コイルが強磁性ターゲットに近づくと、LED VD3、VD2、VD1 が順番に点灯し始めます。コイルを非強磁性金属の物体に近づけると、LED VD5、VD6、VD7 が点灯します。

残念ながら、このデバイスは表面積の大きな鉄製の物体 (ブリキ缶など) に対しても同様に反応します。これは、サーチコイルが金属強磁性物体にさらされると、導電性効果と強磁性効果という XNUMX つの効果が同時に発生するという事実によるものです。物体の表面積とその体積の比率が一定になると、導電率の効果が優勢になり始めます。

スイッチ S1 が開くと、デバイスは動的モードに切り替わります。このモードでは、金属探知機の感度は最高ですが、センサーが移動する場合にのみ物体に反応します。コイルは地面から約 0,5 ～ 1 m/s の速度で移動する必要があります。ダイナミックモードでのオブジェクトの位置は、コイルをオブジェクト上に 5 回 (左から右へ、右から左へ) 通過させる「砲フォーク」方式を使用して決定されます。このモードでは、リールを動かす最低速度を感じることが重要です。これは少し練習すれば簡単に習得できます。ダイナミックモードの表示は少し異なります。コイルが強磁性体上を移動すると、まず「スケール」VD6、VD7、VD3 の LED が点灯し、次に「スケール」VD2、VD1、VDXNUMX の LED が点灯します。非強磁性体の上でコイルを動かすと、表示は逆に機能します。

上で述べたように、各 LED には独自のサウンド表示音があります。金属探知機を使った短期間の作業の後、さまざまな種類のターゲットの「音」の特徴が記憶されます。これにより、音声表示を中心に検索することができ、非常に便利です。

両方のモードで作業を開始する前に、可変抵抗器 R6 を使用してデバイスの最適な感度を設定する必要があります。デバイスが誤った応答を表示し始める位置に設定されます。次に、この抵抗器のローターをゆっくりと回転させて、誤警報が確実に消えるようにする必要があります。

著者：Shchedrin A.I.

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