9zip.ru Радиотехника, электроника и схемы своими руками PI металлодетектор на микроконтроллере ATMEGA8

Этот проект был найден на словенском сайте



PI (Pulse Induction) металлодетекторы работают по принципу изменения индуктивности катушки, когда рядом с ней находится металл. Импульс, создаваемый генератором, усиливается и подаётся на катушку. В этот момент вокруг неё образуется электромагнитное поле. Когда ток через катушку прерывается, магнитное поле вокруг катушки также исчезает. Из-за явления самоиндукции возникает импульс обратной полярности. Для предотвращения возникновения колебаний, катушка шунтируется резистором. Когда возле катушки находится металл, спад этого импульса происходит длиннее, чем обычно. Изменение этого спада, который обычно короче, вполне достаточно, чтобы его уловить. Для лучшего отслеживания делается несколько последовательных измерений, результат которых подаётся на интегратор, с выхода которого поступает готовым для дальнейшей обработки.

Преимущество подобного типа металлоискателей состоит в простоте изготовления катушки и отсутствии влияния минерализации грунта. Недостатком же является отсутствие возможности различать типы металлов. Сама катушка при этом не должна иметь металлических частей.

Если металлодетектор делать на микроконтроллере, то он (МК) может выполнять сразу несколько функций. Микроконтроллер генерирует точные импульсы и паузы, отмеряя все нужные тайминги. В качестве интегратора можно использовать его АЦП.

Данный металлоискатель построен на микроконтроллере ATMEGA8, имеющем весь необходимый функционал. Он может работать с резонатором на 16 МГц, имеет 6 АЦП выходов, достаточно памяти и выводов для подключения периферии. В качестве устройства отображения используется стандартный дисплей 16*2.

Схема металлодетектора состоит из нескольких блоков:

• питание
• микроконтроллер + дисплей + кнопки
• усилитель импульсов
• поисковая катушка
• детектор и усилитель

нажми для увеличения
Напряжение от аккумулятора поступает на схему через дроссель L1, подавляющий помехи от поисковой катушки. После него установлен диод для защиты от отрицательных всплесков той же катушки. Дополнительно он защищает схему от переполюсовки. Конденсатор C2 большой ёмкости играет важную роль: он запасает энергию, необходимую для импульсов. Линейный стабилизатор формирует напряжение для питания микроконтроллера. Так как используемый в схеме операционный усилитель требует двухполярного питания, для его формирования применена распространённая микросхема ICL7660, включенная по схеме т.н. зарядового насоса.

Как понятно из описания принципа работы, тайминги играют важную роль при измерении ответа от поисковой катушки; они зависят от самой катушки и ширины импульсов, подаваемых на неё. Чем шире импульс, тем больше энергии запасается в катушке, и тем медленнее будет спадать импульс. Для управления временными параметрами используются кнопки.

PORTC.0 сконфигурирован, как выход. Микроконтроллер формирует на этом выводе короткий импульс (100-450 мкс). Этот импульс используется для создания магнитного поля в поисковой катушке. Ширина этого импульса определяет мощность металлодетектора: широкие импульсы дают мощное магнитное поле, увеличивая диапазон поисков. Ширина их регулируется с шагом 50 мкс. С вывода микроконтроллера импульсы поступают на драйвер полевого транзистора.

Возможно, кому-то покажется странным использование P-канального транзистора. Но если вместо него применить N-канальный, интересующее нас напряжение будет колебаться в районе +/- 12 вольт. По этой причине напряжение питания операционного усилителя должно быть таким же. P-канальный транзистор применён потому, что форма затухающего сигнала катушки проще всего измеряется относительно массы.

Транзистор является силовым ключом. IRF9630 может работать с импульсами до -200 вольт. Значительно лучше - MPT2P50E, с максимальным напряжением -400 вольт, но его сложнее найти. Транзистор должен быть установлен на радиатор, особенно если поисковая катушка выполнена не очень качественно. Параллельно ей подключен двунаправленный супрессор PKE6KE400CA, который защищает транзистор от пробоя импульсом отрицательного напряжения с катушки. Резистор R2 и супрессор P6KE5VCA ограничивают сигнал, подаваемый затем на отрицательный вход операционного усилителя.

Предусилитель выполнен на LF356 (он значительно лучше, чем LF357 или LM318, хотя их тоже можно использовать). Потенциометр, подключённый к балансным входам ОУ, смещает сигнал в положительную или отрицательную сторону. Им устанавливается "точка нуля" прибора.

АЦП микроконтроллера может обрабатывать напряжение только положительной полярности, поэтому после выхода ОУ установлен диод. Рекомендуется использовать диод Шоттки из-за малого падения напряжения.

Сигнал поступает на вход ADC2, в качестве опорного напряжения используется +5В. Импульс измеряется с через установленное временем задержки. Это время нужно подобрать под конкретную катушку и мощность импульса. Задержка может быть выставлена в диапазоне 40-58 мкс с шагом 5 мкс. Мощность импульса регулируется от 100 до 450 мкс.

Вход ADC5 отслеживает напряжение аккумулятора через делитель напряжения на резисторах. Если оно опускается ниже 9 вольт, прибор выдаёт соответствующее сообщение и прекращает работу.

Для ускорения работы с дисплеем используется пин R/W, подключённый к PORTD.1, а не к массе, как обычно. Дисплей отображает всю необходимую информацию: напряжение аккумулятора, длительность импульса, величину задержки. Также графически и в числовом виде выводится полученный от катушки ответный сигнал. Пьезодинамик подключен к PORTB.0. Он позволяет не смотреть на экран в процессе поиска. Динамик генерирует звук с частотой, зависящей от наличия металла под поисковой катушкой. При отсутствии такового, должны быть слышны одиночные пощёлкивания.

В начале программы происходит конфигурирование портов микроконтроллера. После сброса порты находятся в высокоимпедансном состоянии, что может повредить полевой транзистор. Поэтому первым делом PORTC.0 конфигурируется, как выход и в него выводится низкий логический уровень. Затем конфигурируются АЦП, таймер для генерации звука и ЖК-дисплей.

В начале программы измеряется напряжение питания, и если оно меньше 9 вольт, осуществляется переход на подпрограмму, которая выводит предупреждение на дисплей и больше ничего не делает, запрещая дальнейшую работу.

Если напряжение в пределах нормы, то программа выполняет цикл в течение 40 раз. В процессе этого генерируется импульс, ожидается время, а затем производится замер напряжения. Результат всех 40 замеров усредняется. Это значение выводится на дисплей. Это же значение определяет частоту генерируемого тона, который излучает динамик. Программа также опрашивает кнопки, чтобы изменять тайминги.

Изготовление поисковой катушки достаточно сложное. Самый простой способ - начертить на фанере круг диаметром 20 см, разделить окружность на 16 частей и забить туда маленькие гвоздики с надетыми кембриками. На эту заготовку следует намотать 30 витков проволоки диаметром 0,6 мм. Получившуюся катушку следует скрепить изолентой. Соединять катушку с прибором следует коаксиальным кабелем длиной не более 2 метров. В законченной конструкции катушка крепится к штанге металлоискателя.

Маленькие катушки предпочтительны для поиска мелких предметов, но они имеют и меньшую глубину поиска. Также можно экспериментировать с формой катушек. Следует ориентироваться на реакцию прибора на монету с расстояния 20 см. Индуктивность катушки должна быть в районе 400 мкГн.

Экспериментируя с другими катушками, следует подключить прибор к источнику питания через амперметр и посмотреть потребление. Маловитковые катушки будут давать большее потребление и более сильный нагрев транзистора.

Пайку деталей следует начинать с установки SMD-компонентов, перемычек, панелек для микросхем, а затем припаивать остальные детали. Дроссель L1 можно намотать на ферритовом колечке - 10...15 витков диаметром 0,6 мм. Конденсатор C1 следует располагать лёжа для экономии места.


Потребление прибора в момент включения без поисковой катушки должно быть в районе 40...50 мА. Отключи питание, подключи катушку, расположив её вдали от металла минимум на 1 метр, и включи снова. Потенциометром установи частоту звука в районе 1 Гц. Если это не удаётся, кнопками измени длительность импульса. На экране в этот момент должно быть значение в районе 5...8. Поднеси к поисковой катушке металлический предмет; звук и показания на дисплее в этот момент должны измениться. Здесь также можно отрегулировать длительность импульса и величину задержки для оптимальной чувствительности. Не настраивай прибор вблизи включенных ЭЛТ-экранов (телевизор, монитор), т.к. катушка будет улавливать их магнитное поле.

Компонент	Значение	К-во	Примечание
U1	78L05	1	TO92
U2	ICL7660	1	DIL8
U3	LF356	1	DIL8
U4	ATMega8	1	DIL28
U5	ICL7667	1	DIL8
Q1	IRF9630 или MPT2P50E	1	TO220
D1	Диод BY399	1
D2	PKE6KE400CA	1
D3	P6KE5VCA двунаправленный	1	или P6KE6.8VCA
D4	1N4930 Шоттки	1
L1	Дроссель 100uH	1
C1	10000uF/25V	1
C2,C3	100uF/25V	2
C6,C7	47uF/25V	2
C9	4,7pF	1	SMD 1206
C10,11	22pF	2	SMD 1206
C4,C5,C8,C12,C13	100nF	5	SMD 1206
PT1	22k	1
PT2	10k	1
R13	1k	1	SMD 1206
R7	2k2	1	SMD 1206
R16,R17,R18,R19	4k7	4	SMD 1206
R10,R11,R12,R14	10k	5	SMD 1206
R3	39 Ohms	1	SMD 1206
R4,R5	47k	2	SMD 1206
R9,R15	100 Ohms	2	SMD 1206
R6	560K	1	SMD 1206
R2	1K /0.5W	1	не менее 0.5W
R1	2K /0.5W	1	не менее 0.5W
R8	33k	1	SMD 1206
X1	Резонатор 16MHz	1
VR1	2 pole terminal for PCB	1
VR2	2 pole terminal for PCB	1
J2	Header 5 pin	1
ZV	Piezzo speaker	1
S	Turn ON/OFF switch	1
LCD	LCD 2X16	1
Радиатор для Q1		1
Панелька	DIL28	1
Панелька	DIL8	3

Чем же хорош этот проект? Прежде всего, своей простотой. Конечно, схему следует улучшить и усовершенствовать прошивку, тогда можно получить действительно хороший металлодетектор с простой настройкой.

прошивка: pi_detector_atmega8.hex

Понравилась статья? Штрилиц говорит: поделись с друзьями!