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ENCYCLOPÉDIE DE LA RADIOÉLECTRONIQUE ET DU GÉNIE ÉLECTRIQUE Détecteur de métaux à impulsion. Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique
Encyclopédie de l'électronique radio et de l'électrotechnique / détecteurs de métaux Le détecteur de métaux à impulsion porté à votre attention est un développement conjoint de l'auteur et ingénieur de Donetsk (Ukraine) Yuri Kolokolov (adresse Web - home.skif.net/~yukol/index.htm), qui a réussi à traduire l'idée en un produit fini basé sur un microcontrôleur monopuce programmable. Il a développé le logiciel, ainsi que réalisé des tests grandeur nature et un important travail de débogage. À l'heure actuelle, la société moscovite "Master Kit" envisage de produire des kits pour les radioamateurs pour l'auto-assemblage du détecteur de métaux décrit. Le kit contiendra le circuit imprimé et les composants électroniques, y compris le contrôleur déjà programmé. Peut-être que pour de nombreux amateurs de chasse au trésor et de reliques, l'achat d'un tel kit et son assemblage simple ultérieur se révéleront une alternative pratique à l'achat d'un appareil industriel coûteux ou à la fabrication d'un détecteur de métaux entièrement par vous-même. Pour ceux qui ont confiance en eux et sont prêts à essayer de fabriquer et de programmer un détecteur de métaux pulsé à microprocesseur, sur la page personnelle de Yuri Kolokolov sur Internet, il existe une version d'essai du micrologiciel du contrôleur au format Intel HEX et d'autres informations utiles. Cette version du firmware diffère de la version complète par l'absence de certains modes de fonctionnement du détecteur de métaux. Le principe de fonctionnement d'un détecteur de métaux impulsionnel ou à courants de Foucault repose sur l'excitation de courants de Foucault pulsés dans un objet métallique et la mesure du champ électromagnétique secondaire que ces courants induisent. Dans ce cas, le signal d'excitation est fourni à la bobine émettrice du capteur non pas constamment, mais périodiquement sous forme d'impulsions. Dans les objets conducteurs, des courants de Foucault amortis sont induits, qui excitent un champ électromagnétique amorti. Ce champ induit à son tour un courant amorti dans la bobine réceptrice du capteur. En fonction des propriétés conductrices et de la taille de l'objet, le signal change de forme et de durée. Sur la fig. 24. montre schématiquement le signal sur la bobine réceptrice d'un détecteur de métaux pulsé.
Les détecteurs de métaux à impulsions ont leurs avantages et leurs inconvénients. Les avantages comprennent une faible sensibilité aux sols minéralisés et à l'eau salée, les inconvénients sont une mauvaise sélectivité par type de métal et une consommation d'énergie relativement élevée. Conception pratique La plupart des conceptions pratiques de détecteurs de métaux pulsés sont construites soit sur un circuit à deux bobines, soit sur un circuit à une seule bobine avec une source d'alimentation supplémentaire. Dans le premier cas, le dispositif comporte des bobines de réception et d'émission séparées, ce qui complique la conception du capteur. Dans le second cas, il n'y a qu'une seule bobine dans le capteur, et un amplificateur est utilisé pour amplifier le signal utile, qui est alimenté par une source d'alimentation supplémentaire. La signification de cette construction est la suivante - le signal d'auto-induction a un potentiel plus élevé que le potentiel de la source d'alimentation, qui est utilisée pour fournir du courant à la bobine émettrice. Par conséquent, pour amplifier un tel signal, l'amplificateur doit posséder sa propre source d'alimentation, dont le potentiel doit être supérieur à la tension du signal amplifié. Cela complique également le circuit de l'appareil. La conception à simple bobinage proposée est construite selon le schéma original, qui est dépourvu des inconvénients ci-dessus. Principales caractéristiques techniques
Profondeur de détection :
Malgré la relative simplicité de la conception du détecteur de métaux à impulsions proposé, sa fabrication à domicile peut être difficile en raison de la nécessité d'entrer un programme spécial dans le microcontrôleur. Cela ne peut être fait que si vous disposez des qualifications et du logiciel et du matériel appropriés pour travailler avec le microcontrôleur. Schéma structurel Le schéma fonctionnel est illustré à la fig. 25 La base de l'appareil est un microcontrôleur. Avec son aide, des intervalles de temps sont formés pour contrôler tous les nœuds de l'appareil, ainsi que l'indication et le contrôle général de l'appareil. À l'aide d'une clé puissante, l'énergie est pulsée dans la bobine du capteur, puis le courant est interrompu, après quoi une impulsion d'auto-induction se produit, qui excite un champ électromagnétique dans la cible.
Le "point fort" du schéma proposé est l'utilisation d'un amplificateur différentiel dans l'étage d'entrée. Il sert à amplifier le signal dont la tension est supérieure à la tension d'alimentation et à le lier à un certain potentiel (+5 V). Pour une amplification supplémentaire, un amplificateur de réception à gain élevé est utilisé. Le premier intégrateur sert à mesurer le signal utile. Lors de l'intégration directe, le signal utile est accumulé sous forme de tension, et lors de la rétro-intégration, le résultat est converti en durée d'impulsion. Le deuxième intégrateur a une grande constante d'intégration (240 ms) et sert à équilibrer le chemin d'amplification par rapport au courant continu. Diagramme schématique Le schéma de principe d'un détecteur de métaux à impulsions est illustré à la fig. 26 - amplificateur différentiel, amplificateur de réception, intégrateurs et un commutateur puissant.
Sur la fig. 27 montre le microcontrôleur et les commandes et indications. La conception proposée est entièrement développée sur la base de composants importés. Les composants les plus courants des principaux fabricants sont utilisés. Vous pouvez essayer de remplacer certains éléments par des éléments domestiques, cela sera discuté ci-dessous. La plupart des éléments utilisés ne manquent pas et peuvent être achetés dans les grandes villes de Russie et de la CEI par l'intermédiaire de sociétés vendant des composants électroniques.
Une clé puissante est montée sur un transistor à effet de champ VT1. Le transistor à effet de champ appliqué de type IRF740 ayant une capacité de grille supérieure à 1000 pF, un étage préliminaire sur le transistor VT2 est utilisé pour le fermer rapidement. La vitesse d'ouverture d'une clé puissante n'est plus aussi critique du fait que le courant dans la charge inductive augmente progressivement. Les résistances R1, R3 sont conçues pour "étouffer" l'énergie d'auto-induction. Leur calibre est choisi pour des raisons de sécurité de fonctionnement du transistor VT1, ainsi que pour assurer la nature apériodique du processus transitoire dans le circuit, qui est formé par l'inductance du capteur et la capacité parasite entre spires. Les diodes de protection VD1, VD2 limitent les chutes de tension à l'entrée de l'amplificateur différentiel. L'amplificateur différentiel est assemblé sur l'amplificateur opérationnel D1.1. La puce D1 est un amplificateur opérationnel quadruple de type TL074. Ses caractéristiques distinctives sont une vitesse élevée, une faible consommation, un faible niveau de bruit, une impédance d'entrée élevée, ainsi que la possibilité de travailler à des tensions d'entrée proches de la tension d'alimentation. Ces propriétés ont déterminé son utilisation dans un amplificateur différentiel en particulier et dans le circuit dans son ensemble. Le gain de l'amplificateur différentiel est d'environ 7 et est déterminé par les valeurs des résistances R3, R6-R9, R11. L'amplificateur de réception D1.2 est un amplificateur non inverseur de gain 56. Lors de l'action de la partie haute tension de l'impulsion d'auto-induction, ce facteur est ramené à 1 à l'aide du commutateur analogique D2.1. Cela évite la surcharge du chemin d'amplification d'entrée et permet une entrée rapide dans le mode d'amplification d'un signal faible. Le transistor VT3, ainsi que le transistor VT4, sont conçus pour faire correspondre les niveaux des signaux de commande fournis par le microcontrôleur aux commutateurs analogiques. Avec l'aide du deuxième intégrateur D1.3, le chemin d'amplification d'entrée est automatiquement équilibré par le courant continu. La constante d'intégration de 240 ms est choisie suffisamment grande pour que cette rétroaction n'affecte pas l'amplification du signal utile à évolution rapide. Avec cet intégrateur, la sortie de l'amplificateur D1.2 est maintenue à +5 V en l'absence de signal. Le premier intégrateur de mesure est réalisé sur D1.4. Au moment de l'intégration du signal utile, la clé D2.2 est ouverte et, par conséquent, la clé D2.4 est fermée. Un inverseur logique est implémenté sur la clé D2.3. Une fois l'intégration du signal terminée, la clé D2.2 se ferme et la clé D2.4 s'ouvre. Le condensateur de stockage C6 commence à se décharger à travers la résistance R21. Le temps de décharge sera proportionnel à la tension qui s'établira sur le condensateur C6 à la fin de l'intégration du signal utile. Ce temps est mesuré par un microcontrôleur qui effectue la conversion analogique-numérique. Pour mesurer le temps de décharge du condensateur C6, un comparateur analogique et des temporisateurs sont utilisés, qui sont intégrés au microcontrôleur D3. A l'aide des LED VD3...VD8, une indication lumineuse est faite. Le bouton S1 est destiné à la réinitialisation initiale du microcontrôleur. Les commutateurs S2 et S3 définissent les modes de fonctionnement de l'appareil. À l'aide d'une résistance variable R29, la sensibilité du détecteur de métal est ajustée. Algorithme de fonctionnement Pour clarifier le principe de fonctionnement du détecteur de métaux à impulsions décrit à la fig. 28 montre les formes d'onde des signaux aux points les plus importants du dispositif.
A l'instant de l'intervalle A, la clé VT1 s'ouvre. Un courant en dents de scie commence à circuler dans la bobine du capteur - forme d'onde 2. Lorsque le courant atteint environ 2 A, la clé se ferme. Au drain du transistor VT1, une surtension d'auto-induction se produit - forme d'onde 1. L'amplitude de cette surtension est supérieure à 300 V (!) Et est limitée par les résistances R1, R3. Pour éviter une surcharge du chemin amplificateur, des diodes de limitation VD1, VD2 sont utilisées. A cet effet également, pour le temps de l'intervalle A (accumulation d'énergie dans la bobine) et de l'intervalle B (éjection de l'auto-induction), la touche D2.1 est ouverte. Cela réduit le gain de bout en bout du chemin de 400 à 7. L'oscillogramme 3 montre le signal à la sortie du chemin d'amplification (broche 8 D1.2). A partir de l'intervalle C, la clé D2.1 se ferme et le gain du trajet devient important. Après l'achèvement de l'intervalle de garde C, pendant lequel le chemin d'amplification entre en mode, la clé D2.2 s'ouvre et la clé D2.4 se ferme - l'intégration du signal utile commence - intervalle D. Après cet intervalle, la clé D2.2 .2.4 se ferme et la clé D6 s'ouvre - l'intégration "inverse" commence. Pendant ce temps (intervalles E et F), le condensateur C1.0 est complètement déchargé. A l'aide du comparateur analogique intégré, le microcontrôleur mesure la valeur de l'intervalle E, qui s'avère proportionnel au niveau du signal utile d'entrée. Pour la version XNUMX du firmware, les valeurs d'intervalle suivantes sont définies :
Le microcontrôleur traite les données numériques reçues et indique le degré d'impact de la cible sur le capteur à l'aide des LED VD3-VD8 et de l'émetteur de son Y1. L'indication LED est un analogue d'un indicateur de pointeur - en l'absence de cible, la LED VD8 s'allume, puis, en fonction du niveau d'exposition, VD7, VD6, etc. s'allument séquentiellement. Types de pièces et conception Au lieu de l'amplificateur opérationnel D1 TL074N, vous pouvez essayer d'utiliser TL084N ou deux amplificateurs opérationnels doubles de types TL072N, TL082N. La puce D2 est une clé analogique quadruple de type CD4066, qui peut être remplacée par une puce domestique K561KTZ. Le microcontrôleur D4 AT90S2313-10PI n'a pas d'analogues directs. Le circuit ne fournit pas de circuits pour sa programmation en circuit, il est donc conseillé d'installer le contrôleur sur une prise afin qu'il puisse être reprogrammé. Le stabilisateur 78L05 peut, dans les cas extrêmes, être remplacé par le KR142EN5A. Le transistor VT1 type IRF740 peut être remplacé par IRF840. Les transistors VT2-VT4 de type 2N5551 peuvent être remplacés par KT503 avec n'importe quel index alphabétique. Cependant, vous devez faire attention au fait qu'ils ont un brochage différent. Les LED peuvent être de n'importe quel type, VD8 est souhaitable de prendre une couleur de lueur différente. Diode VD1, VD2 type 1N4148. Les résistances peuvent être de n'importe quel type, R1 et R3 doivent avoir une dissipation de puissance de 0,5 W, le reste peut être de 0,125 ou 0,25 W. Il est souhaitable de sélectionner R9 et R11 afin que leur résistance ne diffère pas de plus de 5 %. Il est souhaitable d'utiliser une résistance accordée R7 multi-tours. Le condensateur C1 est électrolytique, pour une tension de 16 V, le reste des condensateurs sont en céramique. Le condensateur C6 est souhaitable de prendre avec un bon TKE. Le bouton S1, les commutateurs S2-S4, la résistance variable R29 peuvent être de tout type adapté à la taille. En tant que source sonore, vous pouvez utiliser un émetteur piézo ou un casque du lecteur. La conception du corps de l'appareil peut être arbitraire. La tige près du capteur (jusqu'à 1 m) et le capteur lui-même ne doivent pas comporter de pièces métalliques ni de fixations. Il est pratique d'utiliser une canne à pêche télescopique en plastique comme matériau de départ pour la fabrication d'une canne. Le capteur contient 27 tours de fil d'un diamètre de 0,6 ... 0,8 mm, enroulés sur un mandrin de 190 mm. Le capteur n'a pas d'écran et sa fixation à la tige doit être effectuée sans l'utilisation de vis massives, boulons, etc. (!) Sinon, sa technologie de fabrication peut être la même que pour un détecteur de métaux à induction. Un câble blindé ne peut pas être utilisé pour connecter le capteur et l'unité électronique en raison de sa capacité élevée. A ces fins, il est nécessaire d'utiliser deux fils isolés, par exemple de type MGSHV, torsadés ensemble. Configuration de l'appareil Attention! L'appareil a une tension élevée, potentiellement mortelle - sur le collecteur VT1 et sur le capteur. Par conséquent, lors de l'installation et de l'utilisation, des mesures de sécurité électrique doivent être respectées. Il est recommandé de configurer l'appareil dans l'ordre suivant : 1. Assurez-vous que l'installation est correcte. 2. Mettez sous tension et assurez-vous que le courant consommé ne dépasse pas 100 (mA). 3. À l'aide de la résistance d'ajustement R7, réalisez un tel équilibrage du chemin d'amplification de sorte que la forme d'onde à la broche 7 D1.4 corresponde à la forme d'onde 4 de la fig. 28. Dans ce cas, il faut s'assurer que le signal à la fin de l'intervalle D est inchangé, c'est-à-dire la forme d'onde à cet endroit doit être horizontale. Un appareil correctement assemblé ne nécessite pas de configuration supplémentaire. Il est nécessaire d'amener le capteur vers un objet métallique et de s'assurer que les éléments indicateurs fonctionnent. Une description du fonctionnement des commandes est donnée dans la description du logiciel. Logiciel Au moment d'écrire ces lignes, les versions 1.0 et 1.1 du logiciel ont été développées et testées. Le code "firmware" de la version 1.0 au format Intel HEX se trouve sur Internet sur la page personnelle de Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. La version commerciale 1.1 du logiciel est prévue pour être livrée sous la forme de microcontrôleurs déjà programmés dans le cadre de kits produits par Master Kit. La version 1.0 implémente les fonctionnalités suivantes :
La version 1.1 du logiciel diffère en ce qu'elle vous permet de régler la sensibilité de l'appareil à l'aide d'une résistance variable R29. Les travaux sur les nouvelles versions du logiciel se poursuivent, il est prévu d'introduire des modes supplémentaires. Pour commander les nouveaux modes, les interrupteurs S1, S2 sont réservés. De nouvelles versions, après leurs tests approfondis, seront disponibles dans les ensembles "Master Kit". Des informations sur les nouvelles versions seront publiées sur Internet sur la page personnelle de Yuri Kolokolov, home.skif.net/~yukol/index.htm. Auteur : Shchedrin A.I.
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Commentaires sur l'article : Dmitry Bonjour! Et pourquoi le contrôleur AT90S2313-10PI a-t-il été choisi ? Est-ce qu'il (détecteur de métaux) fait la distinction entre les métaux ferreux et non ferreux ? J'ai un désir de faire un détecteur de métaux sur le contrôleur STM32F030F4P6 (nous avons 50 r / pc). Ou sur un collègue plus à plusieurs pattes, s'il n'y a pas assez de pattes ... J'étudie les principes de fonctionnement ... Si je comprends bien, la tâche du contrôleur est la suivante: 1) Appliquer une tension à la bobine (sortie T0) 2) Activer la protection de l'amplificateur contre l'impulsion inverse (T1) 3) Désactiver la bobine et attendre l'amortissement de l'impulsion d'auto-induction 4) Désactiver la protection de l'amplificateur (broche T1) et activer le traitement du signal utile ( broche T2) 5) Allumer la minuterie 6) En cas d'interruption de la gâchette connectée à la broche T3, prendre les lectures de la minuterie 7) Comparer la valeur avec la référence et donner l'indication correspondante. Merci pour l'article utile. Bâtisseur de formation, je vous demande de ne pas me frapper pour des inexactitudes. Ce sera le 2e projet utilisant des contrôleurs et le 4e ou 5e au total à partir de l'électronique.
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