Пропонований вашій увазі імпульсний металошукач є спільною розробкою Юрія Колоколова [1] і Андрія Щедріна [2]. Прилад призначений для любительського пошуку скарбів іреліквій, пошуку на пляжі і т.д. Після публікації першої версії металошукача в [3], цей прилад отримав високу оцінку серед любителів, повторивших конструкцію. Разом з тим були висловлені кориснізауваження та побажання, які ми врахували в новій версії приладу.

В даний час металошукач серійно випускається московською фірмою “МАЙСТЕР КИТ” [4] у вигляді наборів “зроби сам “для радіоаматорів.Набір містить друковану плату, пластиковий корпус і електронні компоненти, включаючи вже запрограмований контролер. Можливо, для багатьох любителів придбання такого набору і подальша його нескладна збірка виявляться зручною альтернативою придбанню дорогого промислового приладу або повністю самостійного виготовлення металошукача.

Принцип дії імпульсного або вихорострумового металошукача заснований на збудженні в металевому об’єкті імпульсних вихрових струмів і вимірі вторинного електромагнітного поля, яке наводять ці струми. У цьому випадку збудливий сигнал подається в передавальну котушку датчика не постійно, аперіодично у вигляді імпульсів. У провідних об’єктах наводяться затухаючі вихрові струми, які збуджують затухаючої електромагнітнеполе. Це поле, в свою чергу, наводить в приймальній котушцідатчика затухаючий струм. В залежності від провідних властивостей і розміру об’єкта, сигнал змінює свою форму і тривалість. На рис. 1. Схематично показаний сигнал на приймальній котушці імпульсного металошукача. Осцилограма 1 – сигнал у відсутності металевих мішеней, осцилограма 2 – сигнал при знаходженні датчика поблизу металевого об’єкта.

Імпульсні металошукачі мають свої переваги інедоліки. До достоїнств відноситься мала чутливість до мінералізованих грунтах і солоній воді, до недоліків – погана селективність за типом металу і порівняно велике споживання енергії.

Малюнок 1. Сигнал на вході імпульсного металошукача

Більшість практичних конструкцій імпульсних металошукачів будуються або за двухкатушечной схемою, або по однокатушечной схемою з додатковим джерелом живлення. У першому випадку прилад має роздільні приймальню і випромінюючу котушки, що ускладнює конструкцію датчика. У другому випадку котушка в датчику одна, адля посилення корисного сигналу використовується підсилювач, який харчуєтьсявід додаткового джерела живлення. Сенс такої побудови полягає в наступному – сигнал самоіндукції має більш високий потенціал, ніж потенціал джерела живлення, який використовується для подачі струму в передавальну котушку. Тому для посилення такого сигналу підсилювач повинен мати власне джерело живлення, потенціал якого має бути вище напруги підсилюється сигналу. Це також ускладнює схему приладу.

Пропонована однокатушечная конструкція побудована за оригінальною схемою, яка позбавлена ​​наведених вище недоліків.

Технічні характеристики

Напруга живлення ………………. 7.5 – 14 (В)

Споживаний струм не більше ………… 90 (мА)

Глибина виявлення:

– Монета діаметром 25 мм …………… 20 (см)

– Пістолет ……………………………….. 40 (см)

– Каска ……………………………………. 60 (см)

Структурна схема металошукача зображена на рис.2 Основою пристрою є мікроконтроллер. З його допомогою здійснюється формування тимчасових інтервалів для управління всіма вузлами пристрою, а також індикація і загальне управління приладом. З допомогою потужного ключа проводиться імпульсне накопичення енергії в котушці датчика, а потім переривання струму, після якого виникає імпульс самоіндукції, збудливий електромагнітне поле в мішені.



Малюнок 2. Структурна схема імпульсного металошукача

“Родзинкою” пропонованої схеми є застосуваннядиференціального підсилювача у вхідному каскаді. Він служить для посилення сигналу, напруга якого вище напруги живлення і прив’язці його до визначеному потенціалу – + 5 (В). Для подальшого посилення служить приймальний підсилювач з великим коефіцієнтом посилення. Для вимірювання корисного сигналу служить перший інтегратор. Під час прямого інтегрування проводиться накопичення корисного сигналу у вигляді напруги, а під час зворотного інтегрування проводиться перетворення результату в тривалість імпульсу. Другий інтегратор має велику постійну інтегрування і служить для балансування підсилювального тракту по постійному струму.

Принципова схема простого імпульсного металошукача зображена на рис.3.


Малюнок 3. Принципова електрична схема простого імпульсного металошукача

Запропонована конструкція приладу розроблена повністю на імпортній елементній базі. Використані самі поширені компоненти провідних виробників. Деякі елементи можна спробувати замінити на вітчизняні, про це буде сказано нижче. Більшість застосованих елементів не є дефіцитними іможуть бути придбані у великих містах Росії і СНД через фірми, торгуючі електронними компонентами.

Потужний ключ зібраний на польовому транзисторі VT1. Так як застосований польовий транзистор типу IRF740 має ємність затвора більше 1000 (пФ), для його швидкого закриття використовується попередній каскад на транзисторі VT2. Швидкість відкриття потужного ключа вже не така критична через те, що струм в індуктивному навантаженні наростає поступово. Резистори R1, R3 призначені для “гасіння” енергії самоіндукції. Їх номінал обраний з міркувань безпечної роботитранзистора VT1, а також забезпечення аперіодичного характеру перехідного процесу в контурі, який утворений індуктивністю датчикаі паразитної міжвіткової ємністю. Захисні діоди VD1, VD2 обмежуютьперепади напруги на вході диференціального підсилювача.

Диференціальний підсилювач зібраний на ОУ D1.1. Мікросхема D1 являє собою счетверенний операційний підсилювач типу TL074. Його відмітними властивостями є високе швидкодія, мале споживання, низький рівень шумів, високу вхіднийопір, а також можливість роботи при напругах на входах, близьких до напруги живлення. Ці властивості і зумовили його застосування вдиференціальному підсилювачі зокрема і в схемі в цілому. Коефіцієнт посилення диференціального підсилювача складає близько 7 і визначається номіналами резисторів R3, R6 … R9, R11.

Приймальний підсилювач D1.2 являє собою неінвертуючий підсилювач з коефіцієнтом підсилення 57. Під час діївисоковольтної частини імпульсу самоіндукції цей коефіцієнт знижується до 1 за допомогою аналогового ключа D2.1. Це запобігає перевантаженню вхідного підсилювального тракту і забезпечує швидке входження в режим для посилення слабкого сигналу. Транзистори VT3 і VT4 призначені для узгодження рівнів керуючих сигналів, що подаються з мікроконтролерана аналогові ключі.

За допомогою другого інтегратора D1.3 проводиться автоматичне балансування вхідного підсилювального тракту по постійному струму. Постійна інтегрування 240 (мс) обрана досить великий, щоб ця зворотній зв’язок не впливала на посилення швидко мінливого корисного сигналу. За допомогою цього інтегратора на виході підсилювача D1.2 при відсутності сигналу підтримується рівень +5 (В).

Вимірювальний першого інтегратора виконаний наD1.4. На час інтегрування корисного сигналу відкривається ключ D2.2 і, відповідно, закривається ключ D2.4. На ключі D2.3 реалізований логічний інвертор. Після завершення інтегрування сигналу ключ D2.2 закривається і відкривається ключ D2.4. Накопичувальний конденсатор C6 починає розряджатися через резистор R21. Час розряду буде пропорційно напрузі, яке встановилося на конденсаторі C6 до кінця інтегрування корисного сигналу. Це час вимірюється за допомогою мікроконтролера,який здійснює аналого-цифрове перетворення. Для вимірювання часу розряду конденсатора C6 використовуються аналоговий компаратор і таймери, які вбудовані в мікроконтроллер D3.

Кнопка S1 призначена для початкового скидання мікроконтролера. За допомогою перемикача S3 задається режим індикації пристрої. За допомогою змінного резистора R29 регулюється чутливість металошукача.

За допомогою світлодіодів VD3 … VD8 проводиться світловаіндикація.

Алгоритм функціонування

Для роз’яснення принципу роботи описуваного імпульсного металошукача на рис.4 наведено осцилограми сигналів в найбільш важливих точках приладу.

Малюнок 4. Осцилограми

На час інтервалу A відкривається ключ VT1. Через котушку датчика починає протікати пилкоподібний струм – осцилограма 2. При досягненні величини струму близько 2 (А) ключ закривається. На стоці транзистора VT1 виникає викид напруги самоіндукції – осцилограма 1. Величина цього викиду – більше 300 Вольт (!) І обмежується резисторами R1, R3. Для запобігання перевантаження підсилювального тракту служать обмежувальні діоди VD1, VD2. Також для цієї мети на час інтервалу A (накопичення енергії в котушці) і інтервалу B (викид самоіндукції) відкривається ключ D2.1. Це знижує наскрізний коефіцієнт посилення тракту з 400 до 7. На осцилограмі 3 показаний сигнал на виході підсилювального тракту (висновок 8 D1.2). Починаючи з інтервалу C, ключ D2.1 закривається і коефіцієнт підсилення тракту стає великим. Після завершення захисного інтервалу C, за час якого підсилювальний тракт входить в режим, відкривається ключ D2.2 і закривається ключ D2.4 – починається інтегрування корисного сигналу – інтервал D. Після закінчення цього інтервалу ключ D2.2 закривається, а ключ D2.4 відкривається – починається “зворотне” інтегрування. За цей час (Інтервали E і F) конденсатор C6 повністю розряджається. За допомогою вбудованого аналогового компаратора мікроконтролер відміряє величину інтервалу E, яка виявляється пропорційною рівню вхідного корисного сигналу. Для поточних версій мікропрограмного забезпечення встановлені наступні значення інтервалів:

A – 60 … 200 мкс, B – 12 мкс, С – 8 мкс, D – 50(Мкс), A + B + C + D + E + F – 5 (мс) – період повторення.

Мікроконтролер обробляє отримані цифрові дані та индицирует за допомогою світлодіодів VD3 … VD8 і випромінювача звуку Y1 ступінь впливу мішені на датчик. Світлодіодна індикація являє собою аналог стрілочного індикатора – при відсутності мішені горить світлодіод VD8, далі в залежності від рівня впливу послідовно загоряються VD7, VD6 і т.д.

Клацніть по картинці для збільшення

Малюнок 5. Принципова схема другого вдосконаленою версією мікропроцесорного імпульсного металошукача

Відмінності (рис.5) від першої версії приладу (рис.3) полягають у наступному.

1. Доданий резистор R30. Це зроблено для того, щоб знизити вплив внутрішнього опору різних батарей на настройку приладу. Тепер можна безболісно міняти кислотний акумулятор на 6-8шт сольових батарей. Налаштування приладу при цьому не “З’їде”.

2. Додані “прискорюють” конденсатори C15, C16, C17. Завдяки цьому суттєво покращилася термостабільність схеми. У старій схемі ключі VT2 … VT4 були найбільш вразливим місцем в цьому плані. Плюс до цього в програму додана безперервна автобалансування нуля.

3. Додана ланцюг R31, R32, C14. Цей ланцюг дозволяє безперервно контролювати стан акумуляторної батареї. З допомогою резистора R32 тепер можна виставити будь поріг безпечної (для акумулятора) розрядки акумуляторів різних типів. Наприклад, для 8шт NiCd або NiMH акумуляторних батарей типа АА потрібно буде встановити рівень 8 Вольт, а для 12 В кислотного акумулятора – 11 Вольт … Коли буде досягнутий граничний рівень, буде включена світлова та звукова індикація.

Настроюється цей режим просто. Прилад живиться від блоку живлення. На блоці живлення виставляється необхідна порогова напруга, движок резистора R32 спочатку ставиться в “верхнє” за схемою становище., а потім, обертаючи ротор резистора R32, потрібно домогтисяспрацьовування індикації – світлодіод VD8 почне блимати, джерело звуку буде видавати переривчастий сигнал. З цього режиму прилад виходить тількипо скиданню.

4. В якості альтернативного пристрою індикаціїтепер можна використовувати дворядковий шестнадцатісімвольний ЖКИ. Цей режим включається при замиканні перемикача S3. У цьому випадку сигнальні висновки РКІ підключаються згідно схеми замість світлодіодів. Також на модуль РКІ необхідно подати напругу +5 В і підключити “Земляний” дріт. Резистор R33 монтується безпосередньо на контактахмодуля РКІ (рис.6).

Малюнок 6. Альтернативний РКІ – індикатор

У цьому випадку у верхньому рядку завжди індикуєтьсяназву металошукача, а в нижньому рядку залежно від режиму: “Autotuning”, “Low battery”. У режимі пошуку в цьому рядку малюється стовпець на 16 градацій рівня сигналу. При цьому звуковий сигнал теж має 16 градацій тону.

Типи деталей і конструкція

Замість операційного підсилювача D1 TL074N можна спробувати застосувати TL084N.

Мікросхема D2 – це счетверенний аналоговий ключ типу CD4066, який можна замінити на вітчизняну мікросхему К561КТ3.

Мікроконтролер D4 AT90S2313-10PI прямих аналогів не має. У схемі не передбачені ланцюга для його внутрішньосхемного програмування, тому контролер бажано встановлювати на панельку, щоб його можна було перепрограмувати.

Транзистор VT1 типу IRF740 можна спробувати замінити на IRF840.

Транзистори VT2 … VT4 типу 2N5551 можна замінити на КТ503 з будь-яким буквеним індексом. Однак слід звернути увагу на той факт, що вони мають іншу цокольовка.

Світлодіоди можуть бути будь-якого типу, VD8 бажано взяти іншого кольору світіння. Діоди VD1, VD2 типу 1N4148.

Резистори можуть бути будь-яких типів, R1 і R3 повинні мати розсіюваною потужність 0,5 (Вт), інші можуть бути 0,125 або 0,25 (Вт). R9 і R11 бажано підібрати, щоб їх опір відрізнялося не більше, ніж на 5%.

Конденсатор C1 – електролітичний, на напругу16В, інші конденсатори керамічні.

Кнопка S1, перемикачі S3, S4, змінний резистор R29 можуть бути будь-яких типів, які підходять за габаритами. В Як джерело звуку можна використовувати п’езоізлучатель або головнітелефони від плеєра.

Конструкція корпусу приладу може бути довільною. Штанга поблизу датчика (до 1 метра) і сам датчик не повинні мати металевих деталей і елементів кріплення. В якості вихідного матеріалу для виготовлення штанги зручно використовувати пластикову телескопічну вудку.

Датчик містить 27 витків дроту діаметром 0,6 – 0,8 мм, намотаного на оправці 190 (мм). Датчик не має екрану і його кріплення до штанги має здійснюватися без застосування масивних шурупів, болтів і т.д. (!) Для з’єднання датчика і електронного блоку не можна використовувати екранований кабель через його великої ємності. Дляцих цілей треба використовувати два ізольованих проводи, наприклад типу МГШВ, звитих разом.

Налагодження приладу

УВАГА! У приладі є високе, потенційно небезпечна для життя напруга – на колекторі VT1 і на датчику. Тому при налаштуванні і експлуатації слід дотримуватися заходів електробезпеки.

Налаштування приладу рекомендується проводити в наступній послідовності:

1. Переконатися в правильності монтажу.

2. Подать харчування і переконатися, що споживаний струм не перевищує 100 (мА).

3. За допомогою підлаштування резистора R7 домогтися такого балансування підсилювального тракту, щоб осцилограма на виводі 7D1.4 відповідала осцилограмі 4 на рис.4. При цьому необхідно стежити за тим, щоб сигнал в кінці інтервалу D був незмінним, тобто осцилограма в цьому місці повинна бути горизонтальною.

У подальшій настройці правильно зібраний приладне потребує. Необхідно піднести датчик до металевого об’єкту і переконатися в роботі органів індикації. Опис роботи органів управліннянаводиться нижче, в описі програмного забезпечення.

Програмне забезпечення

На момент написання цієї статті було розроблено тапротестовано програмне забезпечення версій V1.0-demo, V1.1 для першої версії приладу і V2.4-demo, V2.4 для другої версії. Демо-версія програми повністю працездатна і відрізняється тільки відсутністю точного регулювання чутливості. Повні версії поставляються в уже прошитих мікроконтролерах, що входять до складу набору МАЙСТЕР КИТ NM8042 .
HEX файл прошивок V1.0-demo і V2.4-demo можна скачати тут.

Робота над новими версіями програмного забезпечення продовжується, планується введення додаткових режимів. Нові версії, після їх всебічного тестування, будуть доступні в наборах МАЙСТЕР КИТ. Отримати інформацію про нові версії, а також скачатидемонстраційні версії програм для самостійного виготовлення металошукача можна на персональній сторінці Юрія Колоколова [1] і на нашому сайті.

Робота з приладом

На початку роботи необхідно включити живлення приладу, підняти датчик на рівень 60-80 см від грунту і натиснути на кнопку”Скидання”. Протягом 2-х секунд прилад зробить автонастроювання. За закінчення автоналаштування прилад видасть характерний короткий звук. Після цього датчик необхідно наблизити до грунту (в місці, де відсутні металеві предмети) на відстань 3-7 см і відрегулювати чутливість за допомогою резистора R29. Ручку необхідно обертати до зникнення помилкових відгуків. Після цього можна приступати до пошуків. При появі індикації розряду батарей пошуки необхідно припинити, вимкнути прилад і замінити джерело живлення.

Висновок

Щоб заощадити час і позбавити Вас від рутинної роботи з пошуку необхідних компонентів та виготовлення друкованих плат МАЙСТЕР КИТ пропонує набір NM8042.

На рис. 7 наведено малюнок друкованої плати (для схеми рис. 3) і розташування компонентів на ній.

Малюнок 7.1. Вид друкованої плати зверху

Малюнок 7.2. Вид друкованої плати знизу

Набір складається із заводської друкованої плати, прошитого контролера з версією програми V 1.1, всіх необхідних компонентів, пластикового корпусу і інструкції по збірці і експлуатації.Конструктивні спрощення були зроблені свідомо, з метою зменшення вартості набору.

Виготовлення пошукової котушки

Котушка являє собою 27 витків емальованого дроту перетином 0,7-0,8 мм, намотаних у вигляді кільця 180-190 мм. Після намотування котушки витки необхідно обмотати ізоляційноюстрічкою. Для підключення датчика необхідно виготовити виту пару з монтажного проводу. Для цього береться два шматки дроту потрібної довжини, і звиваються разом із розрахунку одна скручування на сантиметр. З одного боку цей кабель підпоюємо до котушки, з іншого до плати. Корпус датчика і штанга металлоискатель не повинні містити металевих частин!

Доопрацювання корпусу

Перед установкою плати металошукача в корпус, вньому необхідно зробити отвори під виносні елементи.

На рис.8 показані отвори на передній панелі під світлодіоди, регулятор чутливості R29, вимикач харчування S4 і кнопку скидання S1. На рис.9 – Отвір на бічній поверхні корпусу під телефонний роз’єм Earphone JACK. На рис.10– Отвори на задній панелі під кабель живлення і під кабель пошуковоїкотушки.

Зовнішній вигляд зібраної електронної начинки показаний на рис. 11.

Малюнок 8. Отвори на передній панелі корпусу під світлодіоди

Малюнок 9. Отвір на бічній поверхні корпусу під телефонний роз’єм

Малюнок 10. Отвори на задній панелі під кабель харчування і під кабель пошукової котушки

Малюнок 11. Зовнішній вигляд електронної начинки мікропроцесорного імпульсного металошукача з набору МАЙСТЕР КИТ NM8042

Більш докладно ознайомитися з асортиментом нашої продукції можна за допомогою каталогу “МАЙСТЕР КИТ” і на нашому сайті, де представлено багато корисної інформації по електронним наборам і модулям МАЙСТЕР КИТ, наведено адреси магазинів, де їх можна купити.