Беспроводной металлоискатель на принципе цифрового частотомера

Данная полезная модель относится к области электротехники, предназначена для поиска и обнаружения любых скрытых металлических объектов в непроводящих и слабопроводящих средах. Техническим результатом являются возможность точного определения типа металла (магнитный или немагнитный), простота сборки прибора и его катушки, низкое относительно других металлоискателей потребление электроэнергии, высокая проницаемость исходящего от катушки сигнала. Указанный результат достигается за счет того что металлоискатель содержит: высокоточный измерительный генератор в состав которого входит катушка индуктивности, беспроводную Bluetooth связь между блоком и катушкой, защиту по питанию основного блока управления, программный комплекс управления с возможностью изменения параметров сигнала и индикации, вывод информации на графический дисплей.
Принцип работы
Принцип работы беспроводного металлоискателя на принципе цифрового частотомера заключается в измерении изменения резонансной частоты измерительного генератора, который находится в катушечной части металлоискателя. Измерительный генератор состоит из медной навивки, на концах которой установлены резервуарные емкости, а в обратную связь этого LC-контура включен логический элемент «2И-НЕ», который поддерживает резонансную частоту. Объект, вносимый в электромагнитное поле навивки, изменяет индуктивность навивки. При приближении к предмету из магнитного металла индуктивность увеличивается, резонансная частота измерительного генератора падает. При приближении к предмету из немагнитного металла индуктивность уменьшается, резонансная частота измерительного генератора возрастает. Микроконтроллер, установленный совместно с генератором, вычисляет текущую резонансную частоту и передает значение по беспроводному интерфейсу через Bluetooth модуль на другой модуль Bluetooth, который уже относится к блоку управления. На блоке управления есть дополнительные настройки сигнала, звуковая индикация, органы управления, графический экран, led индикаторы, что позволяет настроить удобный режим поиска и получать информацию о найденном объекте - его размере и типе металла из которого он сделан.
Функция селективности позволяет настроить прибор на поиск только определенного типа металла. Отраслевое предназначение для данного металлоискателя может быть самое разнообразное:
в медицинских учреждениях, для поиска инородных металлических объектов в теле пациентов;
в качестве досмотрового прибора, на таможне, постах охраны;
в археологии, для поиска обогащенных рудами горных пород;
для коммунальных служб, для поиска аварийных трубопроводов, электрических кабелей, фундаментных плит и т.д.;
в пищевой промышленности, для поиска мелких металлических предметов в продукции;
в кладоискательстве;
в поиске взрывных устройств;
в промышленности, для автоматического отключения сельскохозяйственной техники при попадании в дробилку металлического предмета, для определения расстояния до металлического объекта, для проверки состава производимых сплавов и профилей на конвейере и т.д.;
в арочных металлоискателях, для обеспечения безопасности учреждений;
для золотодобывающих драг, для анализа породы на выходе из промывающего конвейера.
Сравнение с аналогами
1) V. Velchev, «Using PIC12CXXX as a Sensor Interface for Metal Detection», Microchip Technology Inc. DS40160A/3_007, 1997
В данной статье автор описывает работу металлоискателя на основе измерения частоты с помощью PIC12CXXX микроконтроллера. Измерительным генератором является подключенная к портам микроконтроллера навивка с параллельной подключенной емкостью и двумя резервуарными конденсаторами на концах навивки по 15pF. Чтобы измерить резонансную частоту навивки используется RC генератор частоты, подключенный к другому порту микроконтроллера. Так как RC генератор имеет стабильное значение частоты колебаний, измерение происходит путем сравнения двух частот: от RC генератора и измерительного генератора. Если резонансная частота становится выше зафиксированного ранее в памяти значения, то загорается сигнальный светодиод. Значение частоты навивки фиксируется в памяти для дальнейшего сравнения нажатием отдельной клавиши.
У данной конструкции есть ряд недочетов по сравнению с представляемым металлоискателем, а именно:
в представленной статье измерительный генератор имеет синусоидальный сигнал, который в дальнейшем попадая на порт микроконтроллера считывается как низкое или высокое состояние порта, при этом средства порта микроконтроллера PIC12CXXX не позволяют с высокой точностью отфильтровать сигнал и имеют меньшую скорость обработки чем современные логические микросхемы. В результате этого будет присутствовать значительное фазовое дрожание, что приведет к погрешности измерений. Также отсутствие логического элемента с инвертируемым выходом в качестве обратной связи, делает сигнал достаточно слабым. Используемая микросхема HEF4093BT (4 логических элемента 2И-НЕ) позволяет решить данную проблему, делая измерительный генератор более надежным и точным;
представляемый беспроводной металлоискатель на принципе цифрового частотомера имеет возможность установки программных настроек чувствительности сигнала, порога сигнала, статического/динамического режима, громкости звука, поиск только определенного типа металла, что положительно сказывается на комфорте поиска. Также у представляемого металлоискателя есть вывод сигнала в виде столбчатой диаграммы на графический дисплей, что дает визуальное представление о форме металлического предмета;
у представляемого металлоискателя есть беспроводная связь между катушкой и блоком управления металлоискателя, что дает дополнительное удобство при поиске и при сборке металлоискателя, в металлоискатели из статьи связь происходит посредством проводников;
питание схемы осуществляется узким диапазоном напряжения 3..5,5 В, так как это допустимое питание микроконтроллера PIC12CXXX. Нет защиты от переполюсовки. В то время как у представляемого прибора можно использовать напряжение от 5 В до 15 В, есть защита от переполюсовки, есть индикация разряда батареи;
у представляемого металлоискателя присутствует звук, тон которого при срабатывании указывает на количественное значение приращения или убавления резонансной частоты в измерительном генераторе, в металлоискателе из статьи звук отсутствует;
у представляемого металлоискателя используется микроконтроллер AtMega48, тактируемый кварцевым резонатором 25MHz, что позволяет с большей скоростью и точностью обрабатывать входящий сигнал, чем у металлоискателя из статьи.
Из плюсов стоит отметить простоту схемы.
2) Щедрин А., Колоколов Ю., «Металлоискатель на принципе цифрового частотомера», РАДИОХОББИ, 2002, №1,
Щедрин А.И., «Новые металлоискатели для поиска кладов и реликвий» - "Горячая линия - Телеком".- Москва, 2003, статья «Металлоискатель по принципу электронного частотомера».
В данной статье описан металлоискатель на принципе работы измерения частоты, который обладает логическим элементом в составе измерительного генератора, построенным на базе микросхемы NE555. Также в приборе присутствует стабилизатор напряжения LP2950, две кнопки управления S0 (Сброс) и S1 (переключение статического/динамического режима), светодиодная индикация по три светодиода на положительное и на отрицательное изменение резонансной частоты измерительного генератора.
У данной конструкции также есть ряд недочетов по сравнению с представляемым металлоискателем, а именно:
представляемый металлоискатель имеет в составе измерительного генератора логический элемент HEF4093BT (4 логических элемента 2И-НЕ), благодаря быстрым временным характеристикам наращивания и спада фронта сигнала, данный элемент значительно сокращает фазовое дрожание;
у металлоискателя, описанного в статье, по сравнению с представляемым мной нет защиты от переполюсовки питания, нет индикации разряда батареи;
у металлоискателя, описанного в статье, по сравнению с представляемым мной нет возможности программного изменения громкости;
представляемый металлоискатель на принципе цифрового частотомера беспроводной имеет возможность установки программных настроек порога сигнала, громкости звука, поиск только определенного типа металла, что положительно сказывается на комфорте поиска. Также у представляемого металлоискателя есть вывод сигнала в виде столбчатой диаграммы на графический дисплей, что дает визуальное представление о форме металлического предмета;
у представляемого металлоискателя есть Bluetooth беспроводная связь между датчиком и блоком управления металлоискателя, что дает дополнительное удобство при поиске и при сборке металлоискателя, в металлоискателе из статьи связь происходит посредством проводников.
3) Металлоискатель «Забава» (http://www.sdelai-sam.su/index9.html, https://9zip.ru/home/metalloiskatel_zabava.htm) и металлоискатель «Забава М1» (http://www.sdelai-sam.su/zabava-m1.html). Первая прошивка под этот металлоискатель, выложенная авторам в сеть «Интернет», датируется 27.06.2010 года.
В данной статье описывается металлоискатель на принципе измерения частоты, который обладает логическим элементом в составе измерительного генератора, построенным на базе микросхемы К561ЛЕ5. Также в приборе присутствует стабилизатор напряжения 78L05, одна кнопка управления S1, звуковая индикация. У данной конструкции также есть ряд недочетов по сравнению с представляемым металлоискателем, а именно:
представляемый металлоискатель имеет в составе измерительного генератора логический элемент HEF4093BT (4 логических элемента 2И-НЕ), благодаря быстрым временным характеристикам наращивания и спада фронта сигнала данный элемент значительно сокращает фазовое дрожание. Также за счет логики преобразования «И», поступающий на вход сигнал дополнительно фильтруется от возможных высокочастотных помех, наводимых извне. Как следствие использование этого элемента повышает глубину обнаружения металлоискателя, по сравнению с металлоискателем указанным в статье;
представляемый металлоискатель имеет развитую защиту от переполюсовки на базе полевого транзистора, в металлоискателе из статьи установлен один диод на входе питания, что дает лишнее потребление тока при работе и снижает надежность устройства;
представляемый металлоискатель имеет программную регулировку громкости звука за счет изменения скважности выходного сигнала с порта контроллера, металлоискатель из статьи имеет регулировку громкости с помощью переменного резистора, что добавляет громоздкости схеме и уменьшает надежность при попадании влаги внутрь резистора;
представляемый металлоискатель на принципе цифрового частотомера беспроводной имеет возможность установки программных настроек порога сигнала, громкости звука, поиск только определенного типа металла, что положительно сказывается на комфорте поиска. Также у представляемого металлоискателя есть вывод сигнала в виде столбчатой диаграммы на графический дисплей, что дает визуальное представление о форме металлического предмета. У металлоискателя из статьи присутствует только звуковая индикация;
у представляемого металлоискателя есть Bluetooth беспроводная связь между датчиком и блоком управления металлоискателя, что дает дополнительное удобство при поиске и при сборке металлоискателя, в металлоискателе из статьи связь происходит посредством проводников.
Краткое описание чертежей
Фигура 1, описание.
Металлоискатель на принципе цифрового частотомера беспроводной, имеет в своей основе измерительный генератор (1) с навивкой медного провода, двумя резервуарными конденсаторами, подключенными по одному с каждого конца навивки, а также для обеспечения генерации сигнала в контуре обратной связи используется логический элемент И-НЕ. Таким образом, LC-цепь, включенная в обратную связь генератора, колеблется с резонансной частотой. Эта резонансная частота изменяется вместе с изменением индуктивности навивки медного провода, то есть при приближении магнитного металла индуктивность навивки увеличивается и частота генератора уменьшается, а при приближении немагнитного металла индуктивность навивки уменьшается, и частота генератора увеличивается (в соответствии с формулой Томсона). Также важно учитывать влияние резервуарных конденсаторов на формирование частоты колебаний, чтобы сигнал был стабильным необходимо устанавливать термостабильные емкости с малой погрешностью номинала. Сигнал с выхода генератора в виде прямоугольных импульсов поступает на вход микроконтроллера, где происходит измерение с высокой точностью временного периода сигнала. Получаемое значение посредством последовательного интерфейса передается на Bluetooth модуль (2) и с него передается либо на смартфон (3), либо на приемное устройство в виде контроллера с другим модулем Bluetooth (4). При периодическом поступлении значений частоты датчика на интерфейс связи Bluetooth смартфона, программа в смартфоне обрабатывает данные значения - сохраняя начальную частоту и вычисляя отклонения текущего значения частоты от начального, данные отклонения будут численно характеризовать близость металлических предметов рядом с медной навивкой. Когда навивка приближается к предмету из цветного металла, частота генератора повышается. При приближении навивки к предмету из черного металла частота генератора снижается. На основе вычисленных изменений частоты сигнала на экране смартфона строится диаграмма (фиг.4), каждое новое значение фиксируется заполненным столбцом, а массив старых значений также в виде столбцов смещается на одно вправо. Таким образом, графическое изображение сигнала позволяет оценить изменения сигнала за продолжительное время, а при равномерном движении навивки данная диаграмма может дать представление о форме цельного металлического предмета под землей. Также для удобства работы в программе смартфона предусмотрены настройки чувствительности сигнала, порога сигнала, статического или динамического режима работы. Математически чувствительность сигнала V, задается пользователем в диапазоне от 0 до 49, и тогда значение сигнала от объекта S принимает вид: S=dT/(50-V), где dT - изменение частоты генератора. Математически порог сигнала P, задается пользователем в диапазоне от 0 до 49, и тогда значение сигнала от объекта S принимает вид: S=dT-P, где dT - изменение частоты генератора. Статический режим работы позволяет вручную зафиксировать частоту работы генератора и дальнейшие изменения частоты отслеживать относительно начальной. Динамический режим работы заключается в замене начальной частоты генератора текущей частотой генератора, если разница частоты стабильна по времени более нескольких секунд. Это необходимо при поиске на грунтах имеющих минерализацию и проводимость, при длительном перемещении навивки на одном расстоянии от минерализованного грунта сигнал примет значение нуля. Также есть функция настройки срабатывания только при приближении отдельно магнитного или отдельно немагнитного металла. Что обеспечивает селективность поиска и помогает эффективней проводить поиск металла.
Также металлоискатель помимо возможности подключения смартфона (3), имеет свою приемную часть (4), построенную также на Bluetooth модуле и микроконтроллере. К микроконтроллеру подключен графический дисплей (5), модуль звуковой индикации с изменяемой громкостью (6), индикатор разряда батареи питания (7). Модуль звуковой индикации с изменяемой громкостью построен программно на базе одного из таймеров микроконтроллера, изменение громкости регулируется изменением скважности сигнала выходного сигнала с порта. При помощи тактовых кнопок (8) происходит настройка и изменение параметров срабатывания прибора в зависимости от значений частоты измерительного генератора поступающих по беспроводной связи Bluetooth. Также в приемной части металлоискателя реализованы те же функции настройки срабатывания: чувствительность сигнала, порог сигнала, статический и динамический режим. Также приемная часть имеет защиту по питанию от переполюсовки (9).
Фигуры 2 и 3, описание.
Вся описанная выше функциональность устройства реализована в радиоэлектронной схеме, для удобства схема разделена на две части, которые соединены между собой по беспроводному интерфейсу: фиг. 2 и фиг. 3. Фиг. 2 представляет собой радиоэлектронную схему измерительного генератора, вычислителя частоты в виде контроллера и передающего беспроводного устройства в виде Bluetooth модуля(HC-05) работающего по последовательному интерфейсу. Фиг. 3 представляет собой радиоэлектронную схему блока управления металлоискателя, в составе которого работающий на прием Bluetooth модуль(HC-05), микроконтроллер, системы индикации и ввода информации. Также для увеличения точности измерений используется вариант подключения кварцевого резонатора на 25MHz для тактирования микроконтроллера.
Описание элементов, которые входят в состав радиоэлектронной схемы фиг. 2:
R1 - Резистор (0805), 2 кОм, 5%;
R2 - Резистор (0805), 1 кОм, 5%;
R3 - Резистор (0805), 47 кОм, 5%;
R4 - Резистор (0805), 10 кОм, 5%;
R5 - Резистор (0805), 270 Ом, 5%;
C1, C3 - Конденсатор (0805), 100 нФ, 10%, X7R;
C2 - Конденсатор 100 мкФ, 16 В;
U1 - Микросхема AtMega168PA-AU(88PA, 48PA), TQFP32;
U2 - Модуль Bluetooth HC-05(BC417143);
L1 - Навивка медного провода 0.5 мм (60 витков на оправке ∅23 см), навивка экранирована слоем фольги, экран имеет разрыв и не образует замкнутый контур вдоль навивки. Экран подсоединяется к «земле» питающего устройства;
DA1 - Микросхема AMS1117-3.3, (SOT-223);
DD1 - Микросхема HEF4093BT, (SOIC-8);
SB1 - Кнопка с фиксацией, PB22E09, (8.5×8.5×14);
XP1 - Контактная группа на печатной плате;
GB1 - Батарея питания, 9V 6F22;
1-32 -данные цифры указанные на выводах микроконтроллера, являются порядковыми номерами выводов микроконтроллера U1.
Описание элементов, которые входят в состав радиоэлектронной схемы фиг. 3:
R1 - Резистор (0805), 100 кОм, 5%;
R2 - Резистор (0805), 2 кОм, 5%;
R3 - Резистор (0805), 1 кОм, 5%;
R4, R5, R6 - Резистор (0805), 330 Ом, 5%;
R7 - Резистор (0805), 47 кОм, 5%;
R8 - Резистор (0805), 10 кОм, 5%;
R9 - Резистор (0805), 22 кОм, 5%;
R10 - Резистор (0805), 22 кОм, 5%;
R11 - Резистор (0805), 10 Ом, 5%;
R12 - Резистор (0805), 1 Ом, 5%;
C1, C3, C5 - Конденсатор (0805), 100 нФ, 10%, X7R;
C2, C4 - Конденсатор 100 мкФ, 16 В;
VD1, VD2 - Диод ZD1 15V (SOD123);
U1 - Микросхема AtMega168PA-AU(88PA, 48PA), TQFP32;
U2 - Модуль Bluetooth HC-05(BC417143);
VT1 - Транзистор IRF-1405, (TO-220);
VT2 - Транзистор IRLML2402TRPBF, (SOT-23);
DA1 - Микросхема AMS1117-3.3, (SOT-223);
SB1 - Кнопка с фиксацией, PB22E09, (8.5×8.5×14);
SB2, SB3 - Кнопка тактовая, IT-1102WC, (6×6×8);
BA1 - Динамик, DXP40N-A 0.5W, 8 Ом;
HL1 - Светодиод, AR-3528-SAA-Day4000-85,3V,20mA;
H1 - Дисплей графический, SPI, 132×32;
XP1 - Контактная группа на печатной плате;
XP2 - Разъем для наушников, 3.5 мм, 3F07 5pin;
GB1 - Батарея питания, 9V 6F22;
1-32 - данные цифры, указанные на выводах микроконтроллера, являются порядковыми номерами выводов микроконтроллера U1.