Практика.
Запись опубликовал Nobody ·
2 407 просмотров
Практическая реализация металлоискателя по принципу частотомера представляет из себя вполне изящную конструкцию. Первоначальный вариант такого прибора представили публике конструктора Щедрин и Колоколов:
Красным показан поисковый генератор. Как видим, он реализован на интегральном таймере 555 в нестандартном включении LC-генератора. Такое решение скорее всего продиктовано удобностью в производстве, ибо положительных свойств не имеет. Излишество деталей, сложность расчета частоты контура и низкая стабильность - вот его основные характеристики.
Однако компоновка схемы позволяет подставить вместо поискового генератора любой другой, лишь бы на выходе он давал сигнал, воспринимаемый микроконтроллером. Это и было основной предпосылкой к усовершенствованию аналоговой части схемы без изменения прошивки.
Первую такую попытку произвел участник нашего форума DesAlex. В своей схеме он заменил оригинальный генератор на транзисторный, что устранило некоторые проблемы. Именно эта модификация натолкнула меня на мысль о дальнейшем совершенствовании металлоискателя с целью "выжать" из схемы максимум.
Сначала были определены основные положения:
1) Простота сборки и надежность работы.
2) Малый ток потребления.
3) Минимальная реакция на грунт.
4) Грамотное разведение печатной платы.
5) Устранение мелких ошибок в оригинальном приборе.
С помощью многих участников форума удалось конкретизировать схему до следующего вида:
1) Стабилизатор напряжения на 3.3В (для меньшего энергопотребления).
2) Отказ от светодиодной индикации в пользу звуковой.
3) Использование генератора с малым током и усилителя сигнала.
Рассмотрим подробнее.
Стабилизатор.
По совету DesAlexа я использовал стабилизатор LM317 для создания питающего схему напряжения 3.3В.
Поскольку вся работа была нацелена в основном на достижении минимального размаха в поисковом контуре (об этом позже) то такое решение позволило понизить требования к коэффициенту усиления, ведь микроконтроллер, работающий от 3.3В способен уверенно распознавать сигнал с амплитудой всего 2В. Единственный недостаток - динамик звуковой индикации приходится питать прямо от батареи питания, для получения удовлетворительной громкости.
Индикация.
Оригинальная схема делала акцент на светодиодную индикацию. Однако условия реального поиска в подавляющем большинстве случаев не позволяют одновременно следить за перемещением катушки и миганием светодиодов. Еще одним минусом есть то, что само по себе мигание вносит пусть малый, но перепад напряжения и соответственно - скачки частоты поискового генератора. В особо неудачных случаях это может даже привести к возбуждению всего прибора и невозможности дальнейшей работы. Я провел долгие дни выискивая причину нестабильности, пока не додумался отключить индикацию. Исходя из всего этого светодиоды были исключены из схемы раз и навсегда. Вообще-то прошивка не изменилась, так что желающие могут по прежнему припаять индикацию на шлейфе или переделать печатку, но на такие доработки напильником я гарантий не даю.
Генератор
Как было сказано выше - основная цель модификации - достижение минимально возможного для работы размаха напряжения в поисковом контуре. Делается это из тех соображений, что реакция прибора "на биениях" на грунт пропорционально току в катушке. Другими словами, чем сильнее поле вокруг катушки, тем сильнее "чувствуется" грунт. У оригинальной схемы на таймере 555 амплитуда и ток вообще никак не контролировались, потому ее работа на реальном грунте была ужасной. Для приведения этого всего в разумный вид я использовал релаксационный генератор на двух транзисторах:
Как видно из схемы, он предельно прост и нетребователен к подбору деталей. Так, транзисторы можно заменять на практически любые кремниевые соответствующей проводимости. Резисторы 1 и 2 могут быть любого номинала в пределах 4к7 - 10к. Амплитуду в контуре можно регулировать в широких пределах подбором резистора 3. Расчет частоты генератора сводится к расчету резонансной частоты параллельного контура LC. И последний огромный плюс - контурный конденсатор может быть вынесен непосредственно к катушке, что избавляет от дестабилизирующего частоту влияния провода датчика. Теперь получилось искать монетки на обычном черноземе без ложных срабатываний. Селективность оказалась на высоте - гвоздь и монету никогда не спутаешь.
Усилитель
Поскольку амплитуда в контуре нового генератора снизилась до сотен милливольт, то встала необходимость использовать усилитель. После недолгих экспериментов я решил использовать двухкаскадный усилитель-формирователь сигнала. "Формирователь" потому что его коэффициент усиления не контролируется, и на выходе получается почти идеальный прямоугольный сигнал, удобоваримый для микроконтроллера.
К этой простой схеме я шел через долгую "заднюю дорогу", испортив добрую горсть деталей ((.. Главная напасть, подстерегавшая на пути - принципиальная работоспособность практически любого варианта компоновки. Приходится выбирать один вариант из ста, руководствуясь чуть ли не магическими аргументами (( Нервы потрепало порядочно.
Прошивка
Все эксперименты свелись к использованию немного подправленной оригинальной прошивки версии 1.9. В ней был отключен статический режим поиска (из-за практической бесполезности) но оставлен динамический режим. В данном случае динамический режим был реализован с помощью цифрового фильтра, выделяющего изменения частоты, соответствующие перемещению возле поисковой катушки металлического предмета. Таким образом, термостабильностью поискового генератора можно пренебречь - прибор реагирует только на достаточно быстрые изменения частоты, оставаясь молчаливым даже при нагревании контурного конденсатора паяльником. Кстати говоря, одной из причин исключения статического режима стало то, что для обнуления прибора использовался аппаратный сброс микроконтроллера. А во время сброса он резко увеличивает потребление, от чего плывет частота генератора. Как только контроллер перезагрузился, то записывает текущее значение частоты как эталон. Но проблема в том, что генератор еще не вернулся в нормальное состояние, и индикация уходит от нуля уже через пару секунд после сброса. Ужасно идиотическая проблема знатно потрепала мне нервы, пока не удалось связать воедино всю эту цепочку (
Другие изменения прошивки коснулись увеличения чувствительности и исправления ошибки, при которой выход звуковой индикации оставался во включенном состоянии после прекращения звука. Учитывая сложность ковыряния ассемблерного кода и мои скромные познания, решил пока прошивку оставить в покое. Слишком уж трудоемкий процесс, как для любительской некоммерческой конструкции...
И так, результат вылился в такую схему:
Как видно, после долгих изменений схемы и множественных ее релизов, с помощью всего 25 деталей удалось получить вполне работоспособный прибор, пригодный к реальному использованию. Но и тут осталось огромное поле для экспериментов. Приоритетными направлениями является отладка усилителя и написание новой прошивки с использованием более идеальных алгоритмов обработки сигнала. Работа над прибором продолжается в меру сил и наличия свободного времени.
Желаю всем участникам форума в новом году новых свершений в области радиоэлектронного конструирования. Студентам - сдать сессию. Рабочим - выполнить план. Инженерам - получить повышение. Начальникам - увеличить доход. Домохозяйкам - научиться делать суп без воды, картофеля и кастрюли 
П.С. Поскольку формат блога не подразумевает большие объемы текста, то может показаться что многие важные детали в моем рассказе упущены. Если Вас что-то заинтересовало, то оставляйте комментарии с соответствующими вопросами.
П.П.С. По мере улучшений в схеме блог будет пополнятся подробностями.
Всем спасибо за внимание.
8 Комментариев
Рекомендуемые комментарии
Присоединяйтесь к обсуждению
Вы публикуете как гость. Если у вас есть аккаунт, авторизуйтесь, чтобы опубликовать от имени своего аккаунта.
Примечание: Ваш пост будет проверен модератором, прежде чем станет видимым.