전자 주파수 측정기의 원리에 기반한 금속 탐지기. 계획, 설명

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전자 주파수 측정기의 원리에 기반한 금속 탐지기. 무선 전자 및 전기 공학 백과사전

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이것은 아이디어를 프로그래밍 가능한 단일 칩 마이크로컨트롤러를 기반으로 하는 완제품 . 그는 디자인과 소프트웨어를 개발하고 본격적인 테스트를 수행했습니다.

주파수 측정기의 원리를 기반으로 제안된 금속 탐지기의 설계가 단순함에도 불구하고 마이크로 컨트롤러에 특수 프로그램을 입력해야 하기 때문에 가정에서의 제조가 어려울 수 있습니다. 이는 마이크로컨트롤러와 함께 작동하는 적절한 경험과 펌웨어를 통해서만 수행할 수 있습니다.

현재 모스크바 회사 "Master Kit"는 설명된 금속 탐지기의 자가 조립을 위한 라디오 아마추어용 키트 생산을 마스터했습니다. 이 키트에는 이미 프로그래밍된 컨트롤러를 포함하여 인쇄 회로 기판과 전자 부품이 포함되어 있습니다. 아마도 보물 찾기 및 유물을 좋아하는 많은 사람들에게 NM8041 키트 (마스터 키트 카탈로그에 따라 번호가 매겨짐)를 구입하고 이후의 간단한 조립은 값 비싼 산업용 장치를 구입하거나 금속 탐지기를 만드는 것보다 편리한 대안이 될 것입니다. 완전히 스스로.

자신감을 갖고 마이크로프로세서 기반 금속 탐지기를 만들고 프로그래밍할 준비가 된 사람들을 위해 Yuri Kolokolov의 인터넷 개인 페이지에는 Intel Hex 형식의 컨트롤러 펌웨어 평가판과 기타 유용한 정보가 포함되어 있습니다. 이 버전의 펌웨어는 동적 모드 및 기타 기능이 없는 경우 NM8041 세트의 마이크로 컨트롤러에 저장된 정식 버전과 다릅니다.

고려되는 금속 탐지기의 작동 원리는 센서-인덕터를 포함하는 회로인 전자 주파수 측정기로 발전기 주파수를 측정하는 것을 기반으로 합니다. 이 경우 유용한 정보를 전달하는 것은 주파수 값 자체가 아니라 센서가 대상에 접근할 때 발생하는 증분과 이 증분의 부호입니다.

금속 탐지기는 탐지 범위가 시제품보다 약 100배 더 큽니다. 동시에 금속에 대한 선택성이 있습니다. 낮은 소비 전류와 광범위한 공급 전압으로 인해 배터리 또는 배터리 연결을 위한 광범위한 옵션이 가능합니다. 장치는 측정 생성기의 초기 주파수에 자동으로 조정됩니다. 이 경우 이론적으로 주파수 값은 약 200Hz ~ XNUMXkHz 범위에 있을 수 있으며 이는 센서 설계를 선택할 수 있는 좋은 기회도 제공합니다. 제안된 금속탐지기는 부품의 개수로 보면 비트가 있는 금속탐지기보다 어렵지 않다. 이것은 단일 칩 마이크로컨트롤러에서 대부분의 기능을 소프트웨어로 구현한 덕분에 가능했습니다.

주요 기술 특성

구조 계획

전자 주파수 측정기의 원리에 따라 만들어진 금속 탐지기의 블록 다이어그램이 그림 12에 나와 있습니다. XNUMX.

전자 주파수 측정기의 원리에 기반한 금속 탐지기
쌀. 12. 주파수 측정기의 원리에 기초한 금속 탐지기의 구조도

실제로 고려되는 금속 탐지기는 측정 생성기와 전자 주파수 측정기로만 구성됩니다. 블록 다이어그램은 오히려 작동 알고리즘을 보여줍니다.

그리고 금속탐지기의 알고리즘은 다음과 같다. 첫째, 전자 주파수계는 센서가 금속 물체 및 강자성체에서 떨어져 있을 때 측정 발진기의 주파수를 측정합니다. 이 값은 스토리지 레지스터에 저장됩니다. 그런 다음 실시간으로 주파수 측정기가 측정 발진기의 주파수를 측정합니다. 얻은 값에서 기준 주파수 값을 빼고 그 결과를 디스플레이 장치에 공급합니다.

회로도

금속 탐지기의 개략도가 그림 13에 나와 있습니다. XNUMX.

전자 주파수 측정기의 원리에 기반한 금속 탐지기
쌀. 13. 전자 주파수 측정기의 원리에 기초한 금속 탐지기의 개략도

측정 생성기는 일체형 타이머 A1 유형 NE555(국내 아날로그 - K1006VI1)에 내장되어 있습니다. 이 칩은 LC 발진기로 다소 특이한 방식으로 사용됩니다. 발전기의 발진 회로는 커패시터 C1*, C2* 및 센서 인덕터 L로 구성됩니다. 공진 주파수는 기존 발진 회로와 마찬가지로 결정되며 직렬 연결된 커패시터 C1* 및 C2*의 정전 용량은 회로 역할을 합니다. 정전 용량. 직경 180 ~ 190mm의 일반적인 센서를 사용하고 100회 전선과 커패시터 C1 * = 0,047μF 및 C2 * = 0,01μF의 커패시턴스를 포함하는 경우 생성 주파수는 약 20kHz입니다. 필요한 경우 커패시터 C1* 및 C2*의 커패시턴스를 변경하여 발전기 주파수를 변경할 수 있습니다. 이 경우 이러한 컨테이너의 비율은 대략 (4 ... 6) : 1인 것이 바람직합니다.

A2 마이크로컨트롤러는 표시까지 측정 생성기의 신호를 처리하기 위한 다른 모든 기능을 담당합니다. 이 회로는 ATMEL에서 제조한 AT90S2313-10PI 마이크로컨트롤러를 사용합니다. 이것은 8비트 저가형 RISC 단일 칩 마이크로컨트롤러입니다. 10MHz에서 10MIPS의 성능을 제공합니다. 포함: 2KB 플래시, 128바이트 EEPROM, 15개의 I/O 라인, 32개의 작동 레지스터, XNUMX개의 타이머/카운터, 워치독 타이머, 아날로그 비교기, 범용 직렬 포트. 이를 해결하기 위해 선택한 마이크로컨트롤러는 상대적으로 저렴한 가격에 충분히 높은 기술적 특성을 가지고 있다.

마이크로컨트롤러 칩에 직접 연결되는 것은 컨트롤과 표시입니다. 가변 저항 R6은 장치의 감도를 조정합니다. LED VD1-VD3은 강자성 효과가 우세한 경우 측정 생성기의 주파수 편차 수준을 나타냅니다. LED VD5...VD7 - 전도 효과가 우세한 경우. LED VD4는 제로 주파수 편이를 나타냅니다. 수화기 또는 피에조 이미 터 Y는 측정 생성기 신호의 주파수 편차를 소리로 표시하도록 설계되었습니다. 스위치 S1을 사용하여 장치 작동 모드가 설정됩니다(정적 또는 동적). 정적 모드에서 주파수 차이의 디지털 코드인 신호는 대수이며 즉시 표시됩니다. 각 수준의 표시등에는 자체 사운드 표시음이 수반됩니다.

동적 모드는 토양, 광물 등의 간섭 배경에서 대상을 검색하도록 설계되었습니다. 동적 모드에서 신호는 간섭 신호의 배경에서 유용한 신호를 분리하는 디지털 필터링을 받습니다. 이 장치는 최적 일치 필터링을 사용합니다. 요컨대, 그 본질은 모든 신호에 대해 출력에서 최대 응답을 얻을 수 있는 최적의 필터가 있다는 사실에 있습니다. 이러한 디지털 필터는 검색 코일이 0,5 ... 1 m/s의 속도로 작은 대상 위로 이동할 때 발생하는 주파수 디튜닝 신호에 대해 구현됩니다. 필터는 마이크로 컨트롤러에서 프로그래밍 방식으로 구현됩니다.

커넥터 X1은 프로그램을 마이크로 컨트롤러에 로드하는 단계에서 컴퓨터를 연결하는 데 사용됩니다.

부품 유형 및 디자인

설계에는 최소한의 부품이 포함됩니다. 그러나 특별한 요구 사항은 없습니다.

A1 타이머 칩(NE555)은 KR1006VI1로 교체할 수 있습니다. 글로우의 밝기가 증가한 LED를 선택하는 것이 바람직합니다. Stabilizer A3 (LP2950)은 1184EN1 또는 다소 나쁜 78L05 유형을 사용할 수 있습니다. 후자의 경우 최소 허용 배터리 전압은 6,7V입니다.

A2마이크로컨트롤러는 인쇄회로기판에 직접 납땜되어 있지만(커넥터를 통해 프로그램이 입력되기 때문에 변경되더라도 보드에서 제거할 필요가 없습니다) 원할 경우 마이크로컨트롤러를 소켓에 장착할 수도 있습니다. . AT90S2313-10PI 칩은 AT90S2313-10PC로 교체할 수 있지만, 이 경우 제조업체는 0°C 미만의 온도(현장에서 있을 수 있음)에서의 작동을 보장하지 않습니다.

저항기는 0,063 ~ 0,25W의 전력 손실에 대해 다양한 유형으로 사용할 수 있습니다. 커패시터 C1 * 및 C2 * - 열적으로 안정적인 커패시터, 특히 C2 *를 사용하는 것이 바람직합니다. 전해 커패시터 C4 - 모든 유형. 나머지 커패시터는 세라믹, 유형 K10-17입니다. 석영 공진기 유형 RG-05, RK169 또는 기타 소형. 센서는 차폐 코일입니다. 디자인은 이 책에서 가져올 수 있습니다.

소프트웨어

대부분의 장치 기능은 마이크로컨트롤러에 의해 실행되는 프로그램에 할당되고 비휘발성 메모리에 기록(프로그래밍)됩니다. 이 자료를 작성할 당시에는 다음과 같은 디바이스 동작 알고리즘이 구현되어 있었습니다.

1. 프로그램을 시작한 후 SO 버튼을 누르면 마이크로컨트롤러가 고정된 시간 간격(약 수십 밀리초) 동안 측정 발진기의 주파수를 대략적으로 측정합니다.

2. 그런 다음 마이크로컨트롤러의 하나의 내부 타이머가 조정되어 입력 주파수의 분할이 위의 고정 간격보다 약간 작은 측정 간격 Ti를 초래합니다.

3. 다음으로, 수 메가헤르츠의 클록 주파수로 카운팅 펄스가 공급되는 제XNUMX 타이머를 사용하여 측정된 간격 Ti의 제어 측정이 수행된다.

4. 시간 간격 Ti의 측정값이 저장되고 이후에 기준 Te로 사용됩니다.

5. Ti 간격의 측정은 주기에서 반복됩니다.

6. 간격 Ti와 Te는 서로를 빼서 비교합니다.

7. 얻은 결과는 빛과 소리 표시를 통해 편리한 인식을 위해 처리됩니다.

이 장치의 소프트웨어는 XNUMX년 이상 제작 및 디버깅되었으며 인쇄 회로 기판뿐만 아니라 지속적으로 개선되고 있습니다. 아마도 이 글을 읽는 시점에 제안된 디자인과 소프트웨어가 이미 상당한 변화를 겪었을 것입니다. 최신 정보는 새로운 기능에 대한 정보가 포함된 Yuri Kolokolov의 인터넷 개인 페이지인 home.skif.net/-yukol/index.htm을 참조하는 것이 좋습니다.

장치 작업

스위치 S1이 닫히면 장치가 정적 모드로 들어갑니다. 이 모드에서 코일이 강자성 타겟에 접근하면 LED VD3, VD2, VD1이 순차적으로 켜지기 시작합니다. 코일을 비강자성 금속 물체에 가까이 가져가면 VD5, VD6, VD7 LED가 켜집니다.

불행하게도 이 장치는 표면적이 큰 철제 물체(예: 깡통)에 동일한 방식으로 반응합니다. 이는 검색 코일이 금속 강자성 물체에 노출되면 전도 효과와 강자성 효과라는 두 가지 효과가 동시에 나타나기 때문입니다. 물체의 표면적 대 부피의 특정 비율에서 전도 효과가 지배하기 시작합니다.

스위치 S1이 열리면 장치가 동적 모드로 전환됩니다. 이 모드에서 금속 탐지기는 가능한 가장 높은 감도를 갖지만 센서가 움직일 때만 물체에 반응합니다. 코일은 약 0,5 ... 1m / s의 속도로지면 위로 움직여야합니다. 동적 모드에서 물체의 위치는 물체 위로 코일을 왼쪽에서 오른쪽으로, 오른쪽에서 왼쪽으로 두 번 통과할 때 "포병 포크" 방법으로 찾습니다. 이 모드에서는 코일을 움직일 수 있는 최저 속도를 느끼는 것이 중요합니다. 짧은 교육 세션으로 쉽게 마스터됩니다. 동적 모드의 디스플레이는 약간 다르게 보입니다. 코일이 강자성 물체 위로 이동하면 "스케일" VD5, VD6, VD7의 LED가 먼저 켜진 다음 "스케일" VD3, VD2, VD1에서 켜집니다. 비강자성 물체 위에서 코일을 움직이면 표시가 반대로 작동합니다.

위에서 언급했듯이 각 LED에는 고유한 사운드 톤 표시가 있습니다. 금속 탐지기로 짧은 작업을 마친 후 다양한 유형의 대상의 "조정"특성이 기억됩니다. 이를 통해 검색할 때 주로 소리 표시를 사용할 수 있어 매우 편리합니다.

두 모드에서 작업을 시작하기 전에 가변 저항 R6을 사용하여 장치의 최적 감도를 설정해야 합니다. 장치가 잘못된 응답을 표시하기 시작하는 위치로 설정됩니다. 그런 다음 이 저항의 회 전자를 천천히 회전시키면 오탐지가 사라지도록 해야 합니다.

저자: Shchedrin A.I.

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