基于电子频率计原理的金属探测器。方案、说明

基于电子频率计原理的金属探测器。无线电电子电气工程百科全书

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这是作者和来自顿涅茨克（乌克兰）的工程师 Yuri Kolokolov（他在互联网上的个人页面地址是 home.skif.net/-yukol/index.htm）的共同开发，通过他们的努力，可以翻译该想法转化为基于可编程单片微控制器的成品。他开发了设计和软件，并进行了全面测试。

尽管所提出的基于频率计原理的金属探测器的设计很简单，但由于需要在微控制器中输入特殊程序，因此在家庭中制造它可能很困难。仅当您具有使用微控制器的适当经验以及硬件和软件时才能完成此操作。

目前，莫斯科“Master Kit”公司已经掌握了为无线电爱好者自行组装上述金属探测器的套件的生产。该套件包含印刷电路板和电子元件，包括已编程的控制器。或许，对于很多寻宝、文物爱好者来说，购买NM8041套件（根据Master Kit公司的目录编号）并进行后续的简单组装将成为比购买昂贵的工业设备或制作一个更方便的选择。金属探测器完全依靠自己。

对于那些有信心并准备尝试制造和编程微处理器金属探测器的人，Yuri Kolokolov 在互联网上的个人页面包含 Intel Hex 格式的控制器固件评估版本的代码和其他有用信息。该固件版本与 NM8041 微控制器中记录的完整版本不同，缺少动态模式和一些其他功能。

上述金属探测器的工作原理是基于使用电子频率计测量发电机的频率，其电路包括传感器 - 电感线圈。在这种情况下，有用的信息不是由频率值本身携带，而是由传感器接近目标时发生的增量以及该增量的符号携带。

金属探测器的探测范围大约是原型机的一倍半。同时，它对金属具有选择性。低电流消耗和宽范围的可能电源电压为连接电池或电池组提供了多种选择。该设备自动调整到测量发生器的初始频率。在这种情况下，理论上，频率值可以在大约100 Hz到200 kHz的范围内，这也为选择传感器设计提供了很大的机会。就零件数量而言，所提出的金属探测器并不比敲击式金属探测器复杂。这是由于单芯片微控制器中大多数功能的软件实现而实现的。

主要技术特点

结构方案

根据电子频率计原理制作的金属探测器框图如图12所示。 XNUMX.

基于电子频率计原理的金属探测器
米。 12.基于频率计原理的金属探测器结构图

实际上，所讨论的金属探测器仅由测量发生器和电子频率计组成。相反，该框图是其操作算法的说明。

金属探测器的算法如下。首先，当传感器远离金属物体和铁磁体时，电子频率计测量测量振荡器的频率。该值存储在存储寄存器中。然后，频率计实时测量测量振荡器的频率。从获得的值中减去参考频率的值，并将结果发送到指示装置。

示意图

金属探测器的示意图如图 13 所示。 XNUMX.

米。 13、基于电子频率计原理的金属探测器示意图

测量发生器基于集成定时器 A1 型 NE555（国产模拟 - K1006VI1）。该芯片的使用方式有些不寻常 - 作为 LC 振荡器。发生器的振荡电路由电容器C1*、C2*和传感器电感L组成。谐振频率的确定与传统振荡电路相同，而电路的电容为串联电容器C1*和C2的电容。 *。当使用直径为 180... 190 mm、包含 100 匝电线和电容器 C1* = 0,047 μF 和 C2* = 0,01 μF 的典型传感器时，生成频率约为 20 kHz。如果需要，可以通过改变电容器C1*和C2*的电容来改变发生器的频率。在这种情况下，期望这些容器的比例约为(4...6):1。

微控制器 A2 负责处理测量发生器信号直至显示的所有其他功能。本电路采用ATMEL公司生产的AT90S2313-10PI微控制器。这是一款8位高性价比RISC单片机。它在 10 MHz 下具有 10 MIPS 性能。包含：2KB闪存、128字节EEPROM、15条I/O线、32个工作寄存器、两个定时器/计数器、看门狗定时器、模拟比较器、通用串行端口。为了解决这个问题，所选择的微控制器以相对较低的价格具有足够高的技术特性。

控制和显示元件都直接连接到微控制器芯片。可变电阻R6调节器件的灵敏度。 LED VD1-VD3 指示在铁磁效应占主导地位的情况下测量发生器的频率偏差水平。 LED VD5...VD7 - 传导效应占主导地位的情况。 LED VD4 指示零频移。听筒或压电发射器 Y 用于以声音方式指示测量发生器信号的频率偏差。使用开关 S1 设置设备的操作模式 - 静态或动态。在静态模式下，信号（频率差的数字代码）被对数化并立即发送到显示器。每个级别的灯光指示都伴有其自己的声音指示音。

动态模式旨在在地面、矿物等干扰的背景下搜索目标。在动态模式下，信号经过数字滤波，将有用信号与背景干扰信号区分开来。该设备采用最佳匹配过滤。简而言之，其本质是对于任何信号都存在一个最佳滤波器，可以让您在其输出处获得最大响应。这种数字滤波器是针对当搜索线圈以 0,5...1 m/s 的速度在小目标上移动时出现的频率失谐信号而实现的。该滤波器通过微控制器中的软件实现。

连接器X1用于在将程序加载到微控制器的阶段连接计算机。

零件类型和设计

该设计包含最少数量的零件。同时，也没有对他们提出特殊要求。

A1定时器芯片(NE555)可以用KR1006VI1代替。建议选择亮度更高的LED。稳定器 A3 (LP2950) 可以像 1184EN1 或稍差一些的 78L05 一样使用。在后一种情况下，允许的最小电池电压将为 6,7 V。

A2单片机直接焊接到印刷电路板上（由于程序是通过连接器输入的，所以即使改变也不需要从板上拆下），但如果需要，单片机也可以安装在印刷电路板上。插座。 AT90S2313-10PI 芯片可以替换为 AT90S2313-10PC，但是，在这种情况下，制造商不保证在低于 0 °C 的温度下运行（这很可能是现场条件下的情况）。

电阻器可用于多种类型，功耗为 0,063...0,25 W。电容器 C1* 和 C2* - 建议使用热稳定电容器，尤其是 C2*。电解电容器 C4 - 任何类型。其余电容器为陶瓷电容器，型号为 K10-17。石英谐振器类型 RG-05、RK169 或其他小型谐振器。传感器是一个屏蔽线圈。设计可以取自这本书。

Программноеобеспечение

设备的大部分功能都分配给微控制器执行的程序，并记录（编程）在其非易失性存储器中。在撰写本材料时，已实施以下设备操作算法。

1、程序启动后，通过按下SO按钮，单片机在固定的时间间隔（大约几十毫秒）内粗略测量测量发生器的频率。

2.然后调整微控制器的一个内部定时器，使得除以输入频率导致测量间隔Ti略小于上面指定的固定间隔。

3.接下来，使用第二定时器来执行测量间隔Ti的控制测量，该第二定时器以几兆赫的时钟频率向该第二定时器提供计数脉冲。

4.存储时间间隔Ti的测量值并随后将其用作参考Te。

5. Ti 间隔的测量在循环中重复进行。

6. 区间 Ti 和 Te 通过相减进行比较。

7. 使用光和声音指示对获得的结果进行处理，以便于感知。

该设备的软件已经创建和调试了两年多，并持续不断改进，印刷电路板也是如此。当您阅读本文时，提议的设计和软件可能已经发生了重大变化。有关最新信息，我们建议您访问 Yuri Kolokolov 在 Internet 上的个人页面 home.skif.net/-yukol/index.htm，其中包含有关新功能的信息。

使用设备

当开关 S1 闭合时，设备进入静态模式。在此模式下，当线圈接近铁磁目标时，LED VD3、VD2、VD1 开始依次点亮。如果线圈靠近非铁磁金属物体，LED VD5、VD6、VD7 将点亮。

不幸的是，该设备对表面积较大的铁质物体（例如锡罐）也会产生同样的反应。这是因为当探测线圈暴露于金属铁磁物体时，会同时发生两种效应——电导效应和铁磁效应。当物体的表面积与其体积达到一定比例时，导电效应开始占主导地位。

当开关 S1 打开时，器件切换到动态模式。在此模式下，金属探测器具有尽可能高的灵敏度，但仅当传感器移动时才会对物体做出反应 - 线圈应以大约 0,5...1 m/s 的速度在地面上方移动。动态模式下物体的位置是使用“炮叉”方法确定的，方法是将线圈从左到右和从右到左两次经过物体。在此模式下，感受移动卷轴的最低速度非常重要。只需少量练习即可轻松掌握。动态模式下的显示看起来有点不同。当线圈在铁磁物体上移动时，“秤”VD5、VD6、VD7上的LED首先亮起，然后“秤”VD3、VD2、VD1上的LED亮。当在非铁磁物体上移动线圈时，指示相反。

如上所述，每个 LED 都有自己的声音指示音。使用金属探测器短暂工作后，不同类型目标的“曲调”特征就会被记住。这样您在搜索时主要使用声音提示，相当方便。

在两种模式下开始工作之前，必须使用可变电阻器 R6 设置器件的最佳灵敏度。当设备开始指示错误响应时，它被设置为一个位置。然后慢慢旋转这个电阻的转子，就要达到误报消失的目的。

作者：Shchedrin A.I.

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