МАСТЕРСКАЯ РАДИОЛЮБИТЕЛЯ
Выпуск 5
М ЕТАЛЛОИСКАТЕЛИ
S Металлоискатель на одной микросхеме
S Металлоискатель на двух микросхемах
J Металлоискатель повышенной
чувствительности
Универсальный металлоискатель
S Металлоискатель по принципу электронного
частотомера
S Импульсный металлоискатель
J Прибор для обнаружения скрытой проводки
Москва
2003
Мельник М.М.
МЕТАЛЛОИСКАТЕЛИ
Мастерская радиолюбителя
Выпуск 5
Книга является, пособием для любителей, увлеченных конструированием
электронной аппаратуры. Все приведенные конструкции описаны
подробнейшим образом, опробованы на практике и могут быть
рекомендованы повторению в условиях домашней лаборатории. Некоторые
конструкции выпускаются в виде готовых наборов фирмой «Мастер Кит»,
их может собрать даже начинающий любитель.
Запомните! Самым современным, электронным металлоискателем
можно обнаружить среднюю монету на глубине максимум 50 см,
Очень крупный массивный цельнометаллический железный предмет -
максимум на 2,5м.
Издательство ЗМ
Москва 2003
Металлоискатель на одной микросхеме
Металлоискатель, принципиальная схема которого изображена на рис.1, собран
всего на одной микросхеме К176ЛП2. Один из ее элементов (DD1.1), использован
в образцовом генераторе, другой (DD1.2.). — В перестраиваемом. Колебательный
контур образцового генератора состоит из катушки L1 и конденсатора С2, а
перестраиваемого — из поисковой катушки L2 и конденсатора. С 4. Первый
перестраивают переменным конденсатором. С 1, второй — подбором емкости
конденсатора. С 4.
Рис.1.Принцепиальная схема металлоискателя на одной микросхеме.
На элементе DD1.3 выполнен смеситель колебаний образцовой и переменной
частот. С нагрузки этого узла — переменного резистора R5 — сигнал разностной
частоты поступает на вход элемента DD1.4, а усиленное им напряжение звуковой
частоты — на головные телефоны BF1.
Прибором можно обнаружить пятикопеечную монету (доперестроечную
денежную единицу) на глубине до 60 мм. А крышку канализационного колодца — на
глубине до 0,6 м.
1
Металлоискатель на двух микросхемах
Несколько большей чувствительностью обладает металлоискатель, собранный
по схеме, приведенной на рис. 2. Здесь в качестве смесителя и усилителя
колебаний разностной частоты применена микросхема К118УН1Д. Образцовый и
перестраиваемый генераторы этого прибора также идентичны по схеме, каждый
из них выполнен на двух инверторах (DD1.1, DD1.2 и DD2.1, DD2.2
соответственно), элементы DD1.3 и DD2.3 *- буферные (ослабляют влияние
смесителя на генераторы). Образцовый генератор настраивают на заданную
частоту переменным конденсатором. С 1 перестраиваемый — подбором емкости
конденсатора. С 2.
Рис.2. Принципиальная схема металлоискателя повышенной чувствительности
Металлоискатель повышенной
чу вствител ьности
Повысить чувствительность металлоискателя, в котором использован метод
биений, можно, настроив образцовый генератор на частоту в 5—10 раз большую, чем
частота перестраиваемого. В этом случае возникают биения между колебаниями
образцового генератора и ближайшей по частоте (5—10-й) гармоникой
перестраиваемого генератора. Расстройка последнего, скажем всего на 10 Гц
приводит к увеличению частоты разностных колебаний на 50—100 Гц. Именно
таким способом достигнута повышенная чувствительность прибора, схема которого
изображена на рис.З. Пятикопеечную монету с его помощью можно обнаружить на
глубине до 100 мм. а крышку колодца — на глубине до 0.65 м. Образцовый
генератор металлоискателя выполнен на двух элементах микросхемы DD2 и
настроен на частоту 1 МГц. Требуемую стабильность частоты обеспечивает
кварцевый резонатор ZQ1.
2
В перестраиваемом генераторе использованы, два элемента микросхемы
DD1 Его колебательный контур L1,C2,C3, VD1 настроен на частоту в несколько
раз меньшую, чем образцовый генератор. Для настройки контура использован
варикап VD1, напряжение на котором регулируют переменным резистором R2.
Смеситель выполнен на элементе DD1.4, в качестве буферных использованы
элементы DD1.3 и DD2.3. Как и в обеих предыдущих конструкциях, индикатором
поиска служат головные телефоны BF1. Каждый из металлоискателей (два
предыдущих и рассматриваемый) смонтированы на печатной плате из
фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. Платы рассчитаны на
установку постоянных резисторов МЛТ-0,125 (МЛТ-025, ВС-0,125), конденсаторов
КТ-1 (С2—С7 — в первом; С2, С5—С8 — во втором; С2, СЗ, С5—С7 — в третьем),
КМ-4 или К-10-7В (соответственно С8—СЮ; СЗ, С4, С9—С12, С15, С16; С2, СЗ,
С5—С7) и К50-6 (остальные). Для перестройки генераторов по частоте
применены переменные конденсаторы с твердым диэлектриком от
малогабаритных транзисторных приемников «Мир» (в первом устройстве) и
«Планета» (во втором). Разумеется, возможно, использование и любых других
подходящих по габаритам и значениям минимальной и максимальной емкости
конденсаторов, в том числе и подстроенных КПК-3 емкостью 25—150 пФ.
Переменные резисторы R5 и R2— малогабаритные любого типа.
Рис.З. Принципиальная схема металлоискателя повышенной чувствительности
С целью уменьшения размера смонтированных плат по высоте оксидные
конденсаторы С11 первого металлоискателя и. С 9 третьего установлены
параллельно платам (их выводы согнуты под углом 90°). Кварцевый резонатор
смонтирован на отдельной плате из стеклотекстолита, закрепленной
параллельно основной со стороны деталей. Катушки L1 металлоискателей,
собранных по схемам на рис.1, и 2. намотаны на ферритовых (600НН) кольцевых
магнитопроводах типоразмера K8xbx2 В первом катушка содержит 180 витков
провода ПЭЛШО 0,14 мм, во втором —50 витков ПЭЛШО 0,2 мм
3
Намотка в обоих случаях — равномерная по всему периметру магнитопровода.
В первом устройстве катушка приклеена клеем БФ-2 непосредственно к
печатной плате, во втором (из-за недостатка места) — к небольшому уголку,
согнутому из листового полистирола толщиной 1,5 мм и приклеенному этим же
клеем к плате. Поисковая катушка каждого из трех металлоискателей намотана в
кольце, согнутом из винилопластовой трубки внешним диаметром 15 и
внутренним 10 мм. Наружный диаметр кольца первого прибора — 250 мм, второго
и третьего — 200 мм, количество витков — соответственно 100 и 50, провод —
ПЭЛШО 0,27 мм. После намотки кольцо обернуто лентой из алюминиевой
фольги для электрического экранирования (необходимого для устранения влияния
емкости между катушкой и землей). При намотке ленты следует помнить, что
электрический контакт между ее концами недопустим (в противном случае
образуется замкнутый виток). Для защиты от повреждений фольгу обматывают
одним-двумя слоями поливинилхлоридной изоляционной ленты. Следует
отметить, что диаметр поисковой катушки может быть как меньше, так и больше
указанных значений. С его уменьшением площадь зоны обнаружения сужается, но
прибор становится более чувствительным к мелким предметам, с увеличением
же, наоборот, зона обнаружения расширяется, а чувствительность к мелким
предметам снижается. Для индикации поиска во всех приборах применены
головные телефоны ТОН-2.Питать металлоискатели можно от батареи «Крона»
или 7Д-ОД15, а если не смущают габариты, то и от соединенных
последовательно двух батарей 3336 или шести элементов 316, 332. Вместе с
источником питания смонтированную плату и органы управления помещают в
небольшую плоскую металлическую коробку (латунь, луженая жесть толщиной
0,4—0,6 мм) и закрепляют последнюю на штанге, изготовленной из
дюралюминиевой трубы внешним диаметром 16—20мм.
Универсальный металлоискатель
Металлоискатели, о которых рассказывалось ранее, рассчитаны на
обнаружение в основном сравнительно больших металлических предметов на
расстоянии нескольких десятков сантиметров. С их помощью практически
невозможно определить точное местоположение, скажем, гвоздей, скрытой
проводки в стене или полу, поскольку разрешающая способность металлоискателя
низка из-за громоздкости выносной катушки (диаметр 200 мм). К примеру, с такой
катушкой группа близко расположенных гвоздей может восприниматься как некий
большой предмет из металла. Кроме того, более удаленные массивные предметы
могут экранировать близлежащие мелкие, например те же гвозди в деревянном
настиле на железобетонных плитах. На рис.4 представлен универсальный
металлоискатель, способный обнаруживать как мелкие, так и крупные
металлические предметы. Он снабжен несколькими сменными катушками
диаметром от 25 до 250 мм, что позволяет обнаруживать местоположение
мелких предметов с точностью до миллиметра на расстоянии нескольких
сантиметров, а крупные предметы — на расстоянии нескольких десятков
сантиметров. Принцип работы металлоискателя — традиционный. Он содержит
эталонный генератор, собранный на логических элементах DD1 1 и DD1.3 с
частотой генерации примерно 100 кГц, и перестраиваемый генератор,
выполненный на элементе DD1.2 и. одной из выносных катушек индуктивности,
подключаемых к генератору через разъем XS1.
4
Сигналы обоих генераторов поступают на смеситель, собранный на элементе
DD1 4 К выходу смесителя через фильтр R4C4 ослабляющий высшие частоты,
подключены головные телефоны узел. А 2 Для получения большей громкости
звука капсюли телефонов соединены последовательно Пока вблизи выносной
(сменной или поисковой) катушки нет металла, в телефонах будет звук вполне
определенной тональности, установленной переменным резистором R2. При
приближении же катушки к металлическому предмету тональность звука будет
изменяться Металлоискатель питается от батареи GB1, но выключателя питания
в ее цепи нет
Рис.4. Принципиальная схема универсального металлоискателя
R* 1М
< ХР1
>5
а
§
1
-Т-ЕН-Ь
VD2 •
КД105Б1
7 Г 1
VD1 А
КД1С5Б
I
R25,lk
Рис.5. Принципиальная схема зарядного устройства для металлоискателя
5
Питающее напряжение, подается на микросхему, через контакты 2, 4 при
подключении сменной катушки. Кроме указанной на схйме можно применить
микросхемы К561ЛА7, ,К564ЛЕ5.
Постоянные резисторы — МЛТ-0 125 переменный R2 — СП5-2 или другой
малогабаритный. Оксидный конденсатор С5 может быть К50-6, К53-1, остальные
конденсаторы — КЛС, КМ. Головные телефоны — ТОН-2А с регулятором громкости.
Их нужно немного доработать: установить на корпусе регулятора громкости гнездо
XS2 от малогабаритных телефонов (в это гнездо вставляют вилку ХР. 2 от таких же
телефонов), удалив предварительно провод с вилкой. И, конечно, соединить
капсюли последовательно.
Источник питания, батарею GB1 составляют из четырех последовательно
соединенных аккумуляторов Д-0,1 или Д-0,06. Поскольку аккумуляторы со
временем истощаются, для подзарядки батареи используют простое зарядное
устройство узел. А 4 на рис.5, включаемое в разъем XS1 с помощью
пятиштырьковой вилки.
Детали узла А1 металлоискателя, кроме разъемов, батареи и переменного
резистора, смонтированы на небольшой печатной плате, которая вместе с
батареей аккумуляторов размещена в небольшом корпусе — коробке из-под
лекарств. На крышке коробки крепят разъем, а через отверстие в дне пропускают
двухпроводный шнур, концы проводов которого припаивают к разъему ХР 2
Переменный резистор R2 крепят на боковой стенке коробки. Сменные
катушки диаметром до 100 мм изготавливают так. Сначала на оправке
необходимого диаметра наматывают обмотку, которую обматывают слоем
лакоткани, а поверх — луженой медной фольгой. Начало и конец обмотки из
фольги не должны касаться друг друга, поэтом между ними оставляют зазор в
несколько миллиметров
Затем из фольгированного материала изготавливают основание в виде диска,
на котором пайкой крепят разъем.
С внутренней стороны на основании оставляют на краю кольцевую
фольгированную полоску, не замкнутую на концах, а также полоску-проводник к
разъему с этой полоской соединяют контакты 2 и 4 разъема; см. рис.7. К
основанию припаивают фольговую обмотку катушки так, чтобы зазоры обмотки и
кольцевой полоски основания совпали. В случае необходимости на основании
размещают конденсатор. С, выводы, которого подпаивают к выводам 3 и 1
разъема, т. е. подключают параллельно катушке индуктивности.
После проверки катушки (омметром) и подбора конденсатора. С 7 (при
налаживании металлоискателя) припаивают крышку из фольгированного материала,
изготовленную наподобие основания с незамкнутой кольцевой полоской Катушки
диаметром 100 мм и более можно изготовить аналогично описанным выше и
соединять их с металлоискателем с помощью кабеля (обязательно экранированного)
длиной 7,5—2 м Индуктивность любой катушки должна быть примерно 1,25 мГн.
Для катушки диаметром (средним) 25 мм
обмотка должна содержать 150 витков провода	Г у
ПЭВ-1 0,1; диаметром 75 мм — 80 витков ПЭВ-	|
1 0,18; диаметром 200 мм — 50 витков ПЭВ1 0,3.	у 0,0252? ’
Для катушек любого другого диаметра
количество витков приближенно определяют по формуле где W— количество
витков; L — индуктивность катушки, мкГн: D — средний диаметр катушки, см
Настраивают металлоискатель в такой последовательности
6
После изготовления одной из сменных катушек, например самой малогабаритной,
ее подключают к разъему XS1. Движок резистора R2 устанавливают в среднее
положение и подключив головные телефоны, подбором конденсатора СЗ
добиваются звука низкого тона в них.
При приближении к катушке Металлического предмета тональность звука
должна изменяться. Затем изготавливают катушку другого диаметра и, не
припаивая крышку, подключают катушку к разъему XS1. Желательно, чтобы
индуктивность катушки получилась На 5—10 % меньше ранее изготовленной
Подбором конденсатора. С/ (если это понадобится) добиваются звука примерно
такой же тональности, что и в первом случае. Аналогично изготавливают и
настраивают катушки других размеров. При зарядке батареи аккумуляторов
необходимо помнить о правилах безопасности и не касаться токопроводящих
частей устройства, например вилки ХР2 Чтобы сделать этот процесс более
безопасным, можно воспользоваться для зарядки сетевым блоком питания с
выходным напряжением 9—12. В и Подключать его к батарее GB1 (через контакты
4, 5 разъема XS1) через резистор сопротивлением 470—510 Ом.
Металлоискатель по принципу
электронного частотомера
Несмотря на простоту конструкции предлагаемого металлоискателя по
принципу частотомера, его изготовление в домашних условиях может оказаться
затруднительным из-за необходимости занесения в микроконтроллер
специальной программы Это можно сделать, только имея соответствующий опыт
и программно-аппаратные средства для работы с микроконтроллером.
В настоящее время московской фирмой "Мастер Кит" освоен выпуск наборов
для радиолюбителей для самостоятельной сборки описываемого
металлоискателя. Набор содержит печатную плату и электронные компоненты,
включая уже запрограммированный контроллер. Возможно, для многих любителей
поиска кладов и реликвий, приобретение набора NM8041 (нумерация по каталогу
фирмы "Мастер Кит") и последующая его несложная сборка, окажутся удобной
альтернативой приобретению дорогого промышленного прибора или
изготовлению металлоискателя полностью своими силами.
Для тех же, кто чувствует уверенность в себе и готов попробовать изготовить
и запрограммировать микропроцессорный металлоискатель, на персональной
страничке Юрия Колоколова в, Интернете
http://home.skiff.net/~yukol/index.htm,помещен код ознакомительной версии
прошивки контроллера в формате Intel Hex и другая полезная информация
Данная версия прошивки отличается от полной версии которая записана в
микроконтроллеры набора NM8041. отсутствием динамического режима и
некоторых других возможностей.
Принцип действия рассматриваемого металлоискателя основан на измерении
с помощью электронного частотомера частоты генератора в контур которого
входит датчик - катушка индуктивности.
При этом полезную информацию несет не само значение частоты, а ее
приращение, которое возникает при приближении датчика к мишени, и знак этого
приращения
7
Металлоискатель обладает дальностью обнаружения, примерно в полтора раза
большей, чем у прототипа на биениях. При этом он обладает селективностью
по металлам. Малый потребляемый ток и широкий диапазон возможных питающих
напряжений позволяет реализовать широкий выбор вариантов, подключения
батарей элементов питания или аккумуляторов.
Прибор автоматически подстраивается под начальную частоту
измерительного генератора. При этом теоретически, значение частоты может
находиться в пределах примерно от 100 Гц до 200 кГц, что дает большие
возможности также и для выбора конструкции датчика частотомера
Основные технические характеристики
Напряжение питания..................................5,5...20. В
Потребляемый........................................ток15 мА
Индикация....................световая (7 светодиодов) и звуковая
Режимы поиска................статический и динамический
Дискриминация................ферромагнетики /не ферромагнетики
Глубина обнаружения (на воздухе):
монета диаметром 25	мм.................................11	см
пистолет................................................17	см
каска...................................................37	см
Структурная схема
Структурная схема металлоискателя, выполненного по принципу
электронного частотомера, показана на рис.6. Собственно, рассматриваемый
металлоискатель состоит только из измерительного генератора и электронного
Рис.6. Структурная схема металлоискателя по принципу частотомера
частотомера. Структурная же схема является, скорее, иллюстрацией к
алгоритму его работы. А сам алгоритм работы металлоискателя таков.
Сначала электронный частотомер измеряет частоту измерительного
генератора, когда датчик находится вдали от металлических предметов и
ферромагнетиков.
8
Это значение заносится в запоминающий регистр. Затем, в реальном
масштабе времени, частотомер измеряет частоту измерительного генератора.
Из полученных значений вычитается значение эталонной частоты, и результат
подается на устройство индикации.
Принципиальная схема
Принципиальная схема металлоискателя изображена на рис.7.
Измерительный генератор построен на интегральном таймере. А 1 типа NE555
(отечественный аналог К1006ВИ1). Эта микросхема используется в несколько
необычном включении - в качестве LC-генератора.
Колебательный контур генератора состоит из конденсаторов. С 1*, С 2* и
катушки индуктивности датчика L. Резонансная частота определяется как для
обычного колебательного контура, при этом в качестве емкости контура
выступает емкость последовательно включенных конденсаторов. С Г и. С
2*. При использовании типового датчика диаметром 180... 190 мм, содержащего
100 витков провода и емкостях конденсаторов. С 1* = 0,047 мкФ и С2* = 0,01 мкФ,
частота генерации составляет около 20 кГц. При необходимости частоту
генератора можно изменить, изменив емкости конденсаторов. С 1* и. С 2*
При этом желательно, чтобы эти емкости находились в соотношении
примерно (4...6):1.На микроконтроллер. А 2 возложены все остальные
функции по обработке сигнала измерительного генератора вплоть до
индикации. В данной схеме применен микроконтроллер AT90S2313-10PI
производства фирмы ATMEL
Это - 8-разрядный экономичный RISC однокристальный микроконтроллер. Он
имеет на частоте 10 МГц производительность 10 MIPS. Содержит: 2 килобайта
флэш-памяти, 128 байт EEPROM, 15 линий ввода/вывода, 32 рабочих регистра,
два таймера/счетчика, сторожевой таймер, аналоговый компаратор,
последовательный универсальный порт. Для решения поставленной задачи
выбранный микроконтроллер имеет достаточно высокие технические
характеристики при сравнительно низкой цене. Непосредственно к
микросхеме микроконтроллера подключены как органы управления, так и
органы индикации. Переменный резистор R6 регулирует чувствительность
прибора. Светодиоды VD1-VD3 индицируют уровень отклонения частоты
измерительного генератора в случае преобладания ферромагнитного эффекта.
Светодиоды VD5...VD7 - в случае преобладания эффекта проводимости.
Светодиод VD4 указывает на нулевой сдвиг частоты. Наушник или
пьезоизлучатель Y предназначен для звуковой индикации отклонения частоты
сигнала измерительного генератора. При помощи переключателя S1 задается
режим работы прибора статический или динамический. В статическом режиме
сигнал, который представляет собой цифровой код разности частот,
логарифмируется и подается на индикацию. Каждый уровень световой индикации
сопровождается своим тоном звуковой индикации. Динамический режим
предназначен для поиска мишеней на фоне помех от грунта, минералов и т.д. В
динамическом режиме сигнал подвергается цифровой фильтрации, которая
выделяет полезный сигнал на фоне мешающих сигналов В данном приборе
применена оптимальная согласованная фильтрация. Вкратце ее суть заключается
в том, что для любого сигнала существует оптимальный фильтр, позволяющий
получить максимальный отклик на своем выходе.
9
Такой цифровой фильтр реализован для сигнала расстройки частоты,
который возникает при движении поисковой катушки над мелкими мишенями со
скоростью 0,5... 1 м/с. Фильтр реализован программно в микроконтроллере.
Разъем X 1 используется для подключения компьютера на этапе загрузки
программы в микроконтроллер.
R6
4К7
S2
К1О
SO
AVR
J0
S1
Режим
NES55
RESET
Q 10,000
XTAL1
А1
XTAL2
А2
С7
27П
С8
27П
РВ7
РВ6
РВ5
РВ4
РВЗ
РВ2
РВ1
РВО
PD0
PD1
—5-IPD2
PD3
PD4
PD5
PD6
Х1
19
18
16
15
14
Л
12
RST
GW
MOSI
MISO
SCK
20
R5
1К0
С9
М10
СЮ
мю
В кл.
GND
R7
1К0
Сброс
R1
1К0
R3
ЗКО
2
6
2313
VD1
VD2
---VD3
VD4
VDS
VD6
VD7

&
&


Рис.7. Принципиальная электрическая схема металлоискателя по принципу
электронного частотомера
Типы деталей и конструкция
Конструкция содержит минимальное количество деталей. При этом к ним не
выдвигается особых требований. Микросхему таймера. А 1 (NE555) можно
заменить, на КР1006ВИ1.
Светодиоды желательно выбирать с повышенной яркостью свечения.
Стабилизатор АЗ (LP2950) можно применить типа 1184ЕН1 или, что несколько
хуже - 78L05. В последнем случае минимально допустимое напряжение
батареи составит 6,7В.
10
Микроконтроллер А2 впаивается непосредственно в печатную плату
(так как занесение программы осуществляется через разъем, то нет
необходимости вынимать его из платы даже при ее изменении), но при
желании микроконтроллер можно установить и в панельку. Микросхему
AT90S2313-10PI можно заменить, на AT90S2313-10PC, однако, в этом случае
фирма-производитель не гарантирует работу при температуре менее. 0°С
(что вполне может быть в полевых условиях). Резисторы могут быть применены
самых разнообразных типов, на рассеиваемую мощность 0,063...0,25 Вт.
Конденсаторы. С Г и С2* - желательно использовать термостабильные,
особенно С2*. Электролитический конденсатор С4 - любого типа
Остальные конденсаторы - керамические, типа К10-17. Кварцевый
резонатор типов РГ-05, РК169, либо другой малогабаритный. Датчик
экранированная-катушка.
Программное обеспечение
Большинство функций прибора возложено на программу, выполняемую
микроконтроллером и записанную (запрограммированную) в его
энергонезависимую память. На момент написания этой главы был реализован
следующий алгоритм работы прибора.
1	. После старта программы, по нажатию кнопки SO, микроконтроллер грубо
измеряет частоту измерительного генератора в течение фиксированного
интервала времени (около нескольких десятков миллисекунд).
2.	Затем один внутренний таймер микроконтроллера настраивается так,
чтобы в результате деления входной частоты получался измеренный интервал
Ти, немного меньший, чем указанный выше фиксированный интервал.
3.	Далее производится контрольный замер измеренного интервала Ти с
помощью второго таймера, на который подаются счетные импульсы с тактовой
частотой несколько мегагерц.
4.	Измеренное значение временного интервала Ти запоминается и в
дальнейшем используется как эталонное Тэ.
5.	В цикле повторяется измерение интервала Ти.
6.	Производится сравнение интервалов Ти и Тэ путем вычитания одного из
Другого.
7.	Полученный результат обрабатывается для удобного его восприятия с
помощью световой и звуковой индикации. Программное обеспечение для данного
прибора создавалось и отлаживалось более двух лет и продолжает постоянно
совершенствоваться, как и печатная плата. Возможно, на момент чтения вами
этого текста предлагаемая конструкция и программное обеспечение уже
претерпели существенные изменения. За последней информацией рекомендуем
обратиться на персональную страничку Юрия Колоколова в Интернете, где
содержится информация о новых функциональных возможностях.
Работа с прибором
При замыкании переключателя S1 прибор переходит в статический режим. В
этом режиме при приближении катушки к ферромагнитной мишени начинают
последовательно загораться светодиоды VD3, VD2, VD1.
Если катушку приближать к неферромагнитному металлическому объекту,
то будут загораться светодиоды VD5, VD6, VD7.
11
К сожалению, таким же образом прибор реагирует на железные предметы
с большой площадью поверхности (например, консервная банка). Это связано
с тем, что при воздействии на поисковую катушку в металлических
ферромагнитных объектах возникает сразу два эффекта эффект проводимости
и ферромагнитный эффект.
При некотором соотношении площади поверхности объекта к объему
начинает преобладать эффект проводимости. В динамический режим прибор
переходит при размыкании переключателя S1. В этом режиме металлоискатель
обладает максимально возможной чувствительностью, но реагирует на
предметы, только при движении датчика катушка должна перемещаться над
грунтом со скоростью примерно 0.5...1 м/с.
Местонахождение объекта в динамическом режиме находится методом
"артиллерийской вилки" при проведении катушки над объектом дважды слева
направо и справа налево. В этом режиме важно почувствовать наименьшую
скорость, с которой можно перемещать катушку. Это легко осваивается при
недолгой тренировке.
Индикация в динамическом режиме выглядит немного иначе. При
передвижении катушки над ферромагнитным объектом сначала загораются
светодиоды из "шкалы" VD5, VD6, VD7, а затем из "шкалы" VD3, VD2, VD1. При
передвижении катушки над неферромагнитным объектом индикация работает
наоборот. Как уже было указано выше, каждому светодиоду соответствует свой
тон звуковой индикации.
После непродолжительной работы с металлоискателем запоминаются
"напевы", характерные для разных типов мишеней. Это позволяет при поисках
пользоваться преимущественно звуковой индикацией, что довольно удобно.
Перед началом работы в обоих режимах необходимо выставить оптимальную
чувствительность прибора с помощью переменного резистора R6.
Он выставляется в такое положение, когда прибор начинает индицировать
ложные отклики. Затем, медленно вращая ротор этого резистора, необходимо
добиться исчезновения ложных срабатываний.
Импульсный металлоискатель
Предлагаемый вашему вниманию импульсный металлоискатель является
совместной разработкой автора и инженера Юрия Колоколова (адрес в Интернете
- http://home.skiff.net/~yukol/index.htm), усилиями которого
удалось воплотить идею в законченное изделие на основе программируемого
однокристального микроконтроллера. Принцип действия импульсного или
вихретокового металлоискателя основан на возбуждении в металлическом
объекте импульсных вихревых токов и измерении вторичного электромагнитного
поля, которое наводят эти токи. В этом случае возбуждающий сигнал подается в
передающую катушку датчика не постоянно, а периодически в виде импульсов. В
проводящих объектах наводятся затухающие вихревые токи, которые возбуждают
затухающее Электромагнитное поле. Это поле, в свою очередь, наводит в
приемной катушке датчика затухающий ток. В зависимости от проводящих свойств
и размера объекта, сигнал меняет свою форму и длительность.
На рис.8, схематично показан сигнал на приемной катушке импульсного
металлоискателя. Импульсные металлоискатели имеют свои достоинства и
недостатки.
12
К достоинствам относится малая чувствительность к минерализованному
грунту и соленой воде, к недостаткам - плохая селективность по типу металла и
сравнительно большое потребление энергии
Рис.8. Сигнал на входе импульсного металлоискателя
Осциллограмма 1 - сигнал в отсутствии металлических мишеней, осциллограмма 2 -
сигнал при нахождении датчика вблизи металлического объекта
Практическая конструкция
Большинство практических конструкций импульсных металлоискателей
строятся либо по двухкатушечной схеме, либо по однокатушечной схеме с
дополнительным источником питания. В первом случае прибор имеет
раздельные приемную и излучающую катушки, что усложняет конструкцию
датчика. Во втором случае катушка в датчике одна, а для усиления полезного
сигнала используется усилитель, который питается от дополнительного
источника питания. Смысл такого построения заключается в следующем -
сигнал самоиндукции имеет более высокий потенциал, чем потенциал источника
питания, который используется для подачи тока в передающую катушку. Поэтому
для усиления такого сигнала усилитель должен иметь собственный источник
питания, потенциал которого должен быть выше напряжения усиливаемого сигнала.
Это также усложняет схему прибора. Предлагаемая однокатушечная конструкция
построена по оригинальной схеме, которая лишена приведенных выше
недостатков.
Основные технические характеристики
Напряжение питания......................7,5..,14В
Потребляемый ток не более.................90	мА
Глубина обнаружения:
монета диаметром 25	мм.................20	см
пистолет...............................40	см
каска..................................60	см
Внимание!
Несмотря на относительную простоту конструкции предлагаемого
импульсного металлоискателя, его изготовление в домашних условиях может
оказаться затруднительным из-за необходимости занесения в микроконтроллер
специальной программы.
13
Это можно сделать, только имея соответствующую квалификацию и
программно-аппаратные средства для работы с микроконтроллером
Структурная схема
Структурная схема изображена на рис9 Основой устройства является
микроконтроллер
С его помощью осуществляется формирование временных, интервалов для
управления всеми узлами устройства, а также индикация и общее управление
прибором.
С помощью мощного ключа производится импульсное накопление энергии в
катушкедатчика, а затем прерывание тока, после которого возникает импульс
самоиндукции, возбуждающий электромагнитное поле в мишени
Рис.9. Структурная схема импульсного металлоискателя
"Изюминкой" предлагаемой схемы является применение дифференциального
усилителя во входном каскаде Он служит для усиления сигнала, напряжение
которого выше напряжения питания, и привязке его к определенному потенциалу
(+5 В).
Для дальнейшего усиления служит приемный усилитель с большим
коэффициентом усиления. Для измерения полезного сигнала служит первый
интегратор.
Во время прямого интегрирования производится накопление полезного
сигнала в виде напряжения, а во время обратного интегрирования производится
преобразование результата в длительность импульса.
Второй интегратор имеет большую постоянную интегрирования (240 мс) и
служит для балансировки усилительного тракта по постоянному току
14
Принципиальная схема
Принципиальная схема импульсного металлоискателя изображена на
рис.10 дифференциальный усилитель, приемный усилитель интеграторы и
мощный ключ
Рис.10. Принципиальная электрическая схема импульсного металлоискателя.
Усилительный тракт, мощный ключ, интеграторы
Резисторы R1, R3. На рис 11 изображен микроконтроллер и органы управления и
индикации Предложенная конструкция разработана полностью на импортной
элементной базе Использованы самые распространенные компоненты ведущих
производителей. Некоторые элементы можно попытаться.
Заменить на отечественные, об этом будет сказано ниже Мощный ключ
собран на полевом транзисторе VT1. Так как примененный полевой транзистор
типа IRF740 имеет емкость затвора более 1000 пФ, для его быстрого закрытия
используется предварительный каскад на транзисторе VT2 Скорость открывания
мощного ключа уже не столь критична из-за того, что ток в индуктивной нагрузке
нарастает постепенно предназначены для "гашения" энергии самоиндукции
15
Их номинал выбран из соображений безопасной работы транзистора VT1, а
также обеспечения апериодического характера переходного процесса в
контуре, который образован индуктивностью датчика и паразитной
межвитковой емкостью. Защитные диоды VD1, VD2 ограничивают перепады
напряжения на входе дифференциального усилителя.
Дифференциальный усилитель собран на ОУ D1.1. Микросхема D1
представляет собой счетверенный операционный усилитель типа TLQ74 Его
отличительными свойствами являются высокое быстродействие, малое
потребление, низкий уровень шумов, высокое входное сопротивление, а также
возможность работы при напряжениях на входах, близких к напряжению питания.
Эти свойства и обусловили его применение в дифференциальном усилителе
в частности и в схеме в целом. Коэффициент усиления дифференциального
усилителя составляет около 7 и определяется номиналами резисторов R3, R6-R9,
R11.
+Е
А4
84 Вкл.
78L05
СП
Y1
AVR
S3
RESET
Q 10,000
XTAL1
R27
56К
С4
27П
R18
1К0
РОО
РО1
PD2
РОЗ
PD4
I )5
PD6
РВ7
PB6
PBS
РВ4
РВЗ
РВ2
РВ1
РВО
ТО*
Т1*
R24
1К0
й-
Й~
Й-
й-
й-
й-
Сброс С13
S1 \ Н4?
13
12
16
15
19
1в
= 4= С5
| 27П
С8
4Н7
С7
М10
R25
ЮК
VD3
VD4
VD5
VD6
VD7
VO8
2313
— тз
АЗ
С12
Н47
СЮ
мю
R26
56К
Рис.11. Принципиальная электрическая схема импульсного металлоискателя.
Микроконтроллер
Приемный усилитель D1.2 представляет собой неинвертирующий усилитель
с коэффициентом усиления 56. Во время действия высоковольтной части
импульса самоиндукции этот коэффициент снижается до 1с помощью
аналогового ключа D2.1. Это предотвращает перегрузку входного усилительного
тракта и обеспечивает быстрое вхождение в режим
16
Для усиления слабого сигнала, транзистор VT 3 а также транзистор, VT 4
предназначены для согласования уровней управляющих сигналов подаваемых, с
микроконтроллера на аналоговые ключи.
С помощью второго интегратора D1.3 производится автоматическая
балансировка входного усилительного тракта по постоянному току.
Постоянная интегрирования 240 мс выбрана достаточно большой, чтобы эта
обратная связь не влияла на усиление быстро изменяющегося полезного
сигнала. С помощью этого интегратора на выходе усилителя D1.2 при
отсутствии сигнала поддерживается уровень +5 В
Измерительный первый интегратор выполнен на D1 4. На время
интегрирования полезного сигнала открывается ключ D2.2 и, соответственно,
закрывается ключ D2.4. На ключе D2.3 реализован логический инвертор. После
завершения интегрирования сигнала ключ D2.2 закрывается и открывается ключ
D2.4. Накопительный конденсатор С6 начинает разряжаться через резистор R21.
Время разряда будет пропорционально напряжению, которое установилось
на конденсаторе С6 к концу интегрирования полезного сигнала.
Это время измеряется с помощью микроконтроллера, который
осуществляет аналого-цифровое преобразование Для измерения времени
разряда конденсатора С6 используются аналоговый компаратор и
таймеры, которые встроены в микроконтроллер АЗ.С помощью светодиодов
VD3...VD8 производится световая индикация. Кнопка S1 предназначена для
начального сброса микроконтроллера. С помощью переключателей S2 и S3
задаются режимы работы устройства. С помощью переменного резистора R29
регулируется чувствительность металлоискателя.
Алгоритм функционирования
Для разъяснения принципа работы описываемого импульсного
металлоискателя на рис.12 приведены осциллограммы сигналов в наиболее
важных точках прибора.
17
На время интервала. А открывается ключ VT1. Через катушку датчика
начинает протекать пилообразный ток - осциллограмма 2. При достижении
тока около 2. А ключ закрывается. На стоке транзистора VT1 возникает выброс
напряжения самоиндукции - осциллограмма 1 Величина этого выброса-
более 300В (!) и ограничивается резисторами R1, R3.
Для предотвращения перегрузки усилительного тракта служат
ограничительные диоды VD1, VD2. Также для этой цели на время интервала
А накопление энергии катушке и интервала. В (выброс самоиндукции)
открывается ключ D2.1.
Это снижает сквозной коэффициент усиления тракта с 400 до 7. На
осциллограмме 3 показан сигнал на выходе усилительного тракта (вывод 8 D1.2)
Начиная с интервала С ключ D2.1 закрывается, и коэффициент усиления тракта
становится большим. После завершения защитного интервала С, за время,
которого усилительный тракт входит в режим, открывается ключ D2.2 и
закрывается ключ D2.4 - начинается интегрирование полезного сигнала -
интервал D. По истечении этого интервала ключ D2.2 закрывается, а ключ D2.4
открывается - начинается
"обратное" интегрирование. За это время (интервалы Е и F) конденсатор С6
полностью разряжается. С помощью встроенного аналогового компаратора
микроконтроллер отмеряет величину интервала Е, которая оказывается
пропорциональной уровню полезного входного сигнала. Для версии 1.0
микропрограммного обеспечения установлены следующие значения интервалов
А - 60.. .200 мкс,	В -12 мкс,
С - 8 мкс,	D - 50 мкс,
A+B+C+D+E+F 5 мс - период повторения микроконтроллер обрабатывает
полученные цифровые данные и индицирует с помощью светодиодов VD3-VD8 и
излучателя звука Y1 степень воздействия мишени на датчик. Светодиодная
индикация представляет собой аналог стрелочного индикатора - при
отсутствии мишени горит светодиод VD8, далее в зависимости от уровня
воздействия последовательно загораются VD7, VD6 и т.д.
Типы деталей и конструкция
Вместо операционного усилителя D1 TL074N можно попробовать применить
TL084N или по два сдвоенных ОУ типов TL072N, TL082N.
Микросхема D2 - это счетверенный аналоговый ключ типа CD4066, который
можно заменить на отечественную микросхему К561КТЗ.
Микроконтроллер D4 AT90S2313-10PI прямых аналогов не имеет. В схеме
не предусмотрены цепи для его внутрисхемного программирования, поэтому
контроллер желательно устанавливать на панельку, чтобы его можно было
перепрограммировать
Стабилизатор 78L05 можно, в крайнем случае, заменить на КР142ЕН5А
Транзистор VT1 типа IRF740 можно попробовать заменить на IRF840
Транзисторы VT2-VT4 типа 2N5551 можно заменить на КТ503 с любым
буквенным индексом. Однако следует обратить внимание на тот факт, что они
имеют разную цоколевку.
Светодиоды могут быть любого типа, VD8 желательно взять другого цвета
свечения Диоды VD1, VD2 типа 1N4148.
18
Резисторы могут быть любых типов, R1 и R3 должны иметь рассеиваемую
мощность 0,5 Вт, остальные могут быть 0,125 или 0,25 Вт R9. и R11. желательно
подобрать, чтобы их сопротивление отличалось не более, чем на 5 %.
Подстроенный резистор R7 желательно использовать многооборотный.
Конденсатор. С 1 электролитический, на напряжение 16 В остальные
конденсаторы керамические Конденсатор С6 желательно взять с хорошим ТКЕ
Кнопка S1, переключатели S2-S4, переменный резистор R29 могут быть
любых типов, которые подходят по габаритам. В качестве источника звука можно
использовать пьезоизлучатепь или головные телефоны от плеера
Конструкция корпуса прибора может быть произвольной. Штанга вблизи
датчика (до 1 м) и сам датчик не должны иметь металлических деталей и
элементов крепления В качестве исходного материала для изготовления
штанги удобно использовать пластиковую телескопическую удочку
Датчик содержит 27 витков провода диаметром 0,6. .0,8 мм, намотанного на
оправке 190 мм Датчик не имеет экрана и его крепление к штанге должно
осуществляться без применения массивных шурупов, болтов и т.д. (!)
В остальном технология его изготовления может быть такая же, как для
индукционного металлоискателя. Для соединения датчика и электронного
блока нельзя использовать экранированный кабель из-за его большой емкости.
Для этих целей надо использовать два изолированных провода, например
типа МГШВ, свитых вместе
Налаживание прибора
Внимание! В приборе имеется высокое, потенциально опасное для жизни
напряжение - на коллекторе VT1 и на датчике. Поэтому при настройке и
эксплуатации следует соблюдать меры электробезопасности. Настройку
прибора рекомендуется проводить в следующей последовательности.
1	.Убедиться в правильности монтажа.
2	.Подать питание и убедиться, что потребляемый ток не превышает 100 мА.
З	.С помощью подстрочного резистора R7 добиться такой балансировки
усилительного тракта, чтобы осциллограмма на выводе 7 D1 4 соответствовала
осциллограмме 4 на рис.6.5. При этом необходимо следить за тем, чтобы сигнал в
конце интервала D был неизменным, т е. осциллограмма в этом месте должна
быть горизонтальной В дальнейшей настройке правильно собранный прибор
не нуждается. Необходимо поднести датчик к металлическому объекту и
убедиться в работе органов индикации. Описание работы органов управления
приводится в описании программного обеспечения
Программное обеспечение
На момент написания этой главы было разработано и протестировано
программное обеспечение версий 1 0 и 1.1. Код "прошивки" версии 1 0 в формате
Intel HEX можно найти в Интернете на персональной страничке Юрия Колоколова.
Коммерческая версия 1.1 программного обеспечения планируется к поставке в
виде уже запрограммированных микроконтроллеров в составе наборов,
выпускаемых фирмой "Мастер Кит" Версия 1.0 реализует следующие функции:
контроль напряжения питания - при напряжении питания менее 7В начинает
прерывисто загораться светодиод \/08;фиксированный уровень чувствительности,
статический режим поиска
19
Версия программного обеспечения 1.1 отличается тем, что позволяет
регулировать Чувствительность прибора с помощью переменного резистора
R29 Работа над новыми версиями программного обеспечения продолжается,
планируется введение дополнительных режимов Для управления новыми
режимами зарезервированы переключатели S1, S2. Новые версии, после их
всестороннего тестирования, будут доступны в наборах "Мастер Кит”.
Информация о новых версиях будет публиковаться в Интернете на персональной
страничке Юрия Колоколова.
Приборы для обнаружения скрытой
проводки
Приборы позволяют обнаружить с точностью в несколько сантиметров трассу
пролегания проводов и место повреждения. При подключении электромагнитного
датчика появлчется возможность определить место короткого замыкания
проводки. Принцип работы приборов основан на регистрации электрического поля
проводника, находящегося под
напряжением сети (220 или 380 В).
Принципиальная схема первого
варианта прибора приведена на рис.
13. Прибор состоит из усилителя на
ОУ DA1, выпрямителя VD1, VD2,
ключевого каскада VT1 и
мультивибратора на ОУ DA2 со
схемой умощнения на транзисторах
VT2, VT3. Напряжение частотой
промышленной сети 50 Гц,
наведенное проводником с током в
антенне WA1, усиливается
усилителем на ОУ DA1 Усилитель
имеет коэффициент усиления до
трех тысяч. Чувствительность
прибора регулируется переменным
резистором R2.
Усиленное напряжение с
выхода	DA1 выпрямляется
двухполупериодным детектором
VD1, VD2. Выпрямленное
положительное	напряжение
поступает на базу транзистора VT1
ключевого каскада. Как только
величина напряжения на базе
транзистора станет равной 0,6. .0,7.
В, ключ на транзисторе VT1
открывается и соединяет цепи
общего провода мультивибратора
на ОУ DA2 с общим проводом
схемы
20
Рис.13 Первый вариант прибора для обнаружения скрытой проводки
Мультивибратор генерирует колебание звуковой частоты2500 Гц. Эти
колебания подаются на усилитель мощности VT2, VT3 и слышны в капсюле BF1.
Все детали прибора, за исключением разъема XS1, антенны W1 и батареи
питания, размещены на печатной плате рис. 14
Рис.14. Печатная плата и размещение элементов первого варианта прибора для
обнаружения скрытой проводки
Трассу скрытой проводки или место ее повреждения определяют
следующим образом К цепи, обрыв или трассу которой нужно определить,
21
подключают фазу электрической сети 220 В (или 380 В) Чувствительность
прибора регулятором R2
устанавливают такой, чтобы регистрировать наличие напряжения с
частотой .50 Гц на расстоянии 5 .8 см от проводника
Во время работы металлический корпус прибора должен иметь контакт с
рукой оператора. Включают питание прибора и направляют антенну в сторону
предполагаемого места пролегания провода. По наличию звука в излучателе
прослеживают трассу провода. В случае если имеется обрыв провода, звук
прекращается на расстоянии 2...5 см от места обрыва. С помощью прибора
можно определять место короткого замыкания проводки. Для этого к гнезду XS1
подключают электромагнитный датчик, позволяющий регистрировать
электромагнитное поле проводников с переменным током. В качестве
электромагнитного датчика можно применить катушку с сердечником от
электромагнитного реле. На катушке должно быть намотано 2,5.. 5 тысяч
витков провода любого диаметра Датчик укрепляют на штанге и соединяют с
прибором гибким экранированным кабелем длиной 1 .1.5 м
Для определения места короткого замыкания скрытой проводки в линию
подают напряжение с вторичной обмотки понижающего накального
трансформатора Последовательно с первичной обмоткой трансформатора
включают, конденсатор емкостью 1—2 мкФ на рабочее напряжение не менее
400 В. Конденсатор служит для ограничения тока во вторичной обмотке при
поиске короткого замыкания на небольших участках линий. Подносят датчик к
месту пролегания проводов сердечником катушки и по наличию сигнала в
излучателе прослеживают их трассу. За местом короткого замыкания
магнитное поле проводов отсутствует, сигнал исчезает, что и позволяет
определить место короткого замыкания в линии. На рис.15 представлен еще
один вариант прибора.
22
Рис.15. Второй вариант прибора для обнаружения скрытой проводки
Его входная часть мало отличается от предыдущей схемы, а индикатором
служит светодиод HL1, включенный в цепь отрицательной обратной связи ОУ
DA2 — преобразователя напряжение — ток Переменное напряжение,
наведенное в антенне W1 (или в катушке электромагнитного датчика,
подсоединенного к гнезду XS1), усиливается ОУ DA1 и выпрямляется
детектором VD1, VD2. После сглаживания фильтром R5C4 выпрямленное
напряжение поступает на вход преобразователя напряжение — ток. Начальный
ток через светодиод HL1 определяется положением движка переменного
резистора R7, а яркость свечения диода будет увеличиваться при
приближении антенны W1 к проводнику с током. Переменным резистором R2
регулируют чувствительность прибора. Топология печатной платы устройства
и расположение на ней элементов, кроме W1, XS1 и батареи GB1,
показана на рис 16. Плата устанавливается в корпусе, желательно
металлическом. Антенна представляет собой пластину из фольгированного
стеклотекстолита размером 40 х. 80 мм, приклеенную к корпусу прибора на
небольших стойках высотой около 3 мм. Если корпус неметаллический, вдоль
боковых стенок приклеивают металлические пластины, соединенные с общим
проводом прибора.
а)
б)
Рис. 16 Печатная плата и размещение элементов второго варианта
прибора для обнаружения скрытой проводки
23
Содержание
Металлоискатель на одной микросхеме.................1
Металлоискатель на двух микросхемах.................2
Металлоискатель повышенной чувствительности.........2
Универсальный металлоискатель.......................4
Металлоискатель по принципу электронного частотомера ....7
Импульсный металлоискатель.........................12
Приборы для обнаружения скрытой проводки...........20
24