Jak wiadomo elementy metalowe

mog¹ wp³ywaæ na indukcyjnoœæ cewek.
Dzieje siê tak za spraw¹ du¿ej przenikal-
noœci magnetycznej metali (w stosunku
do powietrza). Zmiana indukcyjnoœci
wp³ywa na zmianê czêstotliwoœci rezo-
nansowej obwodu LC, w którym ta cew-
ka pracuje. Rozmaite wykrywacze metali

swoje dzia³anie opieraj¹ na tym w³aœnie
zjawisku – ka¿de urz¹dzenie tego typu ja-
ko detektor wykorzystuje cewkê powie-
trzn¹ o du¿ej œrednicy. Urz¹dzenia analo-
gowe wykorzystuj¹ z regu³y generator re-
zonansowy LC, oraz generator pomocni-
czy, który nastraja siê na tak¹ sam¹ lub
zbli¿on¹ czêstotliwoœæ. Sygna³y z obydwu
generatorów s¹ doprowadzone do kom-
paratora fazy (czêstotliwoœci), który wy-
krywa ró¿nice pomiêdzy dwoma czêsto-

tliwoœciami. Wyjœcie komparatora steruje
wskaŸnikiem wychy³owym lub s³uchaw-
kami. Filozofia pracy prezentowanego tu
inteligentnego wykrywacza metali jest
nieco inna – opisujemy j¹ poni¿ej.

Na rysunku 1 przedstawiono sche-

mat ideowy inteligentnego wykrywacza
metali. Jak widaæ, urz¹dzenie jest wyj¹t-
kowo proste, gdy¿ wszystkie funkcje spe³-
niane s¹ przez jeden uk³ad – PIC 12C508.
Zapisany w nim program wykorzystuj¹c
wewnêtrzne urz¹dzenia peryferyjne do
dzia³ania wymaga tylko kilku elementów
dyskretnych.

Mikrokontrolery PIC posiadaj¹ mo¿-

liwoœæ konfiguracji Ÿród³a sygna³u zega-
rowego. W uk³adach PIC 12C508 do tak-
towania mo¿e byæ wykorzystany rezona-
tor kwarcowy, obwód RC, wewnêtrzny
generator RC, obwód rezonansowy (LC)
lub rezonator kwarcowy ma³ej czêstot-
liwoœci. Troska konstruktorów firmy
Microchip o zapewnienie poprawnych
warunków pracy rozmaitych generatorów
umo¿liwi³a skonstruowanie prostego ge-
neratora LC do taktowania mikrokontro-
lera. Obwód LC stanowi pêtla indukcyjna
L1 z równolegle po³¹czonym kondensato-
rem C1. Takie rozwi¹zanie powoduje
zmianê prêdkoœci wykonywania progra-
mu pod wp³ywem elementów metalo-
wych znajduj¹cych siê w pobli¿u cewki
L1. Mikrokontroler ma za zadanie zmie-
rzyæ w chwili uruchamiania w³asn¹ czê-
stotliwoœæ pracy, zapamiêtaæ j¹ i porów-
nywaæ z aktualn¹ czêstotliwoœci¹ zale¿n¹
od otoczenia obwodu rezonansowego L1,
C1. Aby mikrokontroler mia³ mo¿liwoœæ
zmierzenia czêstotliwoœci pracy, do jego
wejœcia GP2 do³¹czono obwód RC (R3,
R4, C5). Za jego pomoc¹ PIC okreœla in-
terwa³ czasowy o sta³ej wartoœci,
który pozwala na wyznaczenie zmian czê-
stotliwoœci

generatora

zegarowego.

Wyprowadzenie GP2 pe³ni dwie funkcje –
roz³adowuje kondensator C5 (skonfiguro-
wany jako wyjœcie) i kontroluje narost
napiêcia na jego ok³adkach (skonfiguro-
wany jako wejœcie). Przebieg napiêcia
na linii GP2 ilustruje rysunek 2. Po roz³a-
dowaniu kondensatora napiêcie na nó¿ce
GP2 jest bliskie 0 V. Po wprowadzeniu
portu GP2 w stan wysokiej impedancji
napiêcie na kondensatorze C5 roœnie
wyk³adniczo do wartoœci, która zostanie
zinterpretowana przez uk³ady logi-
czne mikrokontrolera jako stan wysoki.
Czas ³adowania zostaje zapamiêtany
w rejestrach procesora i cykl pomiarowy
powtarza siê.

7

Poszukiwaczom skarbów i saperom proponujemy wykonanie bar-
dzo prostego a zarazem wyj¹tkowo funkcjonalnego wykrywacza
metali. Jego niezwyk³e cechy zawdziêczamy zastosowaniu mikro-
kontrolera PIC. Urz¹dzenie nadaje siê idealnie do pracy w terenie
gdy¿ jest niewielkie i mo¿e byæ zasilane z baterii. Pokrêt³o stro-
jenia zastêpuje przycisk kalibracji – znacznie u³atwiaj¹cy obs³ugê.
Wykrywacz metali mo¿e byæ zasilany napiêciem z zakresu 3÷5 V
i pobiera jedynie 2 mA pr¹du.

11/98

Inteligentny wykrywacz metali

Zasada dzia³ania i budowa wy-

krywacza metali

,,

,,WYKRYWACZ

,,

470n

S2

PIC12C508

US1

C5

R3 200

W

ZERO

15p

15p

GP4/OSC2

GP3/MCLR

GP1

GP2/T0CKI

3

4

6

5

W£1 ,,

C3

C2

SLUCHAWKI

100k

R4

S1

GP5/OSC1/CLKIN

GP0

Vdd

Vss

D1

LED

1k

10k

R1

1

2

8

7

15p

L1

T

BATERIA

+Uz

W£2

C1

47

mF/16V

C4

R2

Rys. 1 Schemat ideowy inteligentnego wykrywacza metali

Przycisk ZERO s³u¿y do okresowej ka-

libracji czêstotliwoœci odniesienia. Czêsto-
tliwoœæ oscylatora LC oraz sta³a czasowa
obwodu RC mo¿e zmieniaæ siê pod wp³y-

wem temperatury, wahañ napiêcia zasila-
nia i skoñczonej stabilnoœci elementów.

Mo¿liwych jest wiele algorytmów de-

tekcji przedmiotów metalowych i auto-
matycznej kalibracji. My zdecydowaliœmy
siê na implementacjê algorytmu, który
ilustruje rysunek 3.

Przebiega on nastêpuj¹co. Po uru-

chomieniu i ustabilizowaniu oscylacji ge-
neratora LC procesor przeprowadza po-
miar bie¿¹cej czêstotliwoœci generatora
LC (CALC_FREQ). Zmierzon¹ czêstotli-
woϾ traktuje jako wartoϾ odniesienia.
Nastêpnie dokonuje cyklicznego pomiaru
czêstotliwoœci generatora LC i oblicza bez-
wzglêdn¹ wartoœæ jej odchylenia w sto-
sunku do czêstotliwoœci odniesienia. Je¿e-
li ró¿nica tych dwóch czêstotliwoœci prze-
kroczy okreœlon¹ wartoœæ (limit maksy-
malny) wówczas w³¹czana jest dioda
œwiec¹ca i generowany sygna³ dŸwiêko-
wy. W przeciwnym przypadku dioda LED
pozostaje zgaszona a sygna³ dŸwiêkowy
nie jest generowany. Wciœniêcie klawisza
ZERO zainicjuje ponowny pomiar czêsto-
tliwoœci odniesienia. Jak wiêc widaæ, wy-
krywacz metali dzia³a dwustanowo,
a wartoϾ maksymalnego limitu tworzy
histerezê. Jej zmniejszanie zwiêksza czu-
³oœæ urz¹dzenia lecz zwiêksza wp³yw nie-
stabilnoœci obwodu RC na wynik pomia-
ru. Dlatego konieczne by³o dobranie op-
tymalnej wartoœci limitu maksymalnego.

Pomiar czêstotliwoœci oscylatora LC

odbywa siê metod¹ poœredni¹, jak przed-
stawiono to na rysunku 4. Do tego celu
wykorzystywany jest licznik TMR0. Proce-
sor za poœrednictwem do³¹czonego do
jednego ze swoich wyprowadzeñ obwo-
du RC odmierza sta³y interwa³ czasowy.
Przy zmiennej czêstotliwoœci pracy bêdzie
on odpowiada³ ró¿nej liczbie taktów ze-
garowych. Zale¿noœæ jest proporcjonalna

tzn. wzrost czêstotliwoœci pracy procesora
powoduje zwiêkszenie liczby taktów ze-
garowych przypadaj¹cych na jednostkê
czasu. Poniewa¿ sta³a czasowa obwodu
RC nie jest dok³adnie okreœlona (choæ nie-
zmienna w czasie), procesor w oblicze-
niach bazuje na wartoœciach wzglêdnych.

P³ytka drukowana musi byæ umie-

szczona mo¿liwie blisko cewki indukcyj-
nej L1. Rozmiar cewki L1 zale¿y od roz-
miarów

wykrywanych

elementów.

W prototypie zastosowano cewkê o na-
stêpuj¹cych parametrach: œrednica 80
mm, 21 zwojów drutem DNE 0,3, induk-
cyjnoϾ 100

mH. W razie potrzeby mo¿na

wykonaæ cewkê o innej œrednicy, lecz na-
le¿y pamiêtaæ, ¿e musi mieæ indukcyjnoœæ
100

mH. Cewkê nale¿y zabezpieczyæ ta-

œm¹ izolacyjn¹ lub ¿ywic¹ epoksydow¹.
Cewka powinna byæ po³¹czona z p³ytk¹
wykrywacza „na sztywno”.

Poprawnie wykonany obwód LC po-

woduje powstanie oscylacji na czêstotli-
woœci oko³o 2 MHz. W przypadku trud-
noœci z okreœleniem indukcyjnoœci cewki
mo¿na skorzystaæ z miernika czêstotliwo-
œci i sprawdziæ czêstotliwoœæ generowa-
nych drgañ na wyprowadzeniu GP4 US1.

Urz¹dzenie zmontowane ze spraw-

nych elementów powinno dzia³aæ bez ko-

8

11/98

TAK

NIE

klawisz ZERO?

Przycisniêty

Wy³¹cz LED i sygna³

dzwiêkowy

dzwiêkowy

W³acz LED i sygna³

TAK

limitu?

czêstotliwoœci >

Przesuniêcie

NIE

maksymalnego

abs (czêstotliwoœæ odniesienia –

czêstotliwoœæ bie¿¹ca)

Przesuniêcie czêstotliwoœci =

(CALC_FREQ)

czêstotliwoœci oscylatora

Pomiar i obliczenie bie¿¹cej

bie¿¹ca czêstotliwoœæ

Czêstotliwoœæ odniesienia =

Czekaj na stabilizacjê oscylatora

i napiêcia zasilaj¹cego

inicjacja

Wstêpna

Start

Rys. 3 Algorytm dzia³ania wykrywacza metali

Algorytm dzia³ania

Powrót

TAK

na³adowany

Obwód RC

NIE

portu GP2)?

(zmiana stanu

wartoϾ TMR0

bie¿¹ca czêstotliwoœæ +

Bie¿¹ca czêstotliwoœæ =

Zeruj licznik TMR0

Bie¿¹ca czêstotliwoœæ = 0

kondensator C5

Roz³aduj

CALC_FREQ

Rys. 4 Pomiar metod¹ poœredni¹

czêstotliwoœci generatora LC

Konstrukcja mechaniczna

i uruchomienie

GP2-in

GP2-out

T=100ms

Vth-0

Vth-1

Vth

Rys. 2 Przebieg napiêcia na wyprowadzeniu GP2 mikrokontrolera

niecznoœci uruchamiania. Po w³¹czenia
zasilania dioda œwiec¹ca powinna byæ

wygaszona (brak sygna³u dŸwiêkowego).
Zbli¿enie metalowego przedmiotu do
cewki L1 powinno spowodowaæ zapale-
nie diody D1 i w³¹czenie sygna³u dŸwiê-
kowego. Ewentualnych przyczyn niepra-
wid³owego dzia³ania wykrywacza metali
nale¿y upatrywaæ siê w konstrukcji obwo-
du LC.
W miejsce s³uchawek mo¿na zastosowaæ
ma³y g³oœniczek o impedancji 32÷40

W

lub przetwornik piezoelektryczny.
P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zalicze-
niem pocztowym. P³ytki i zaprogramowa-
ne uk³ady PIC 12C508 z dopiskiem WY-
KRYWACZ mo¿na zamawiaæ w redakcji
PE.
Cena: p³ytka numer 426 – 1,50 z³
PIC 12C508 WYKRYWACZ – 25,00 z³
+ koszty wysy³ki.
Podzespo³y elektroniczne mo¿na zama-
wiaæ w firmie LARO.

9

11/98

431

431431

L1

W£1

ZERO

C5

R1

C3

C1

R3

R4

PIC

WYKR.

US1

+

T

S

C2

L1

C4

A

R2

D1 W£2

Rys. 5 P³ytka drukowana i rozmieszczenie

elementów

US1

– PIC 12C508 z programem

„WYKRYWACZ”

D1

– LED kolor œwiecenia

czerwony

R3

– 200

W/0,125 W

R2

– 1 k

W/0,125 W

R1

– 10 k

W/0,125 W

R4

– 100 k

W/0,125 W

C1÷C3

– 15 pF/50 V ceramiczny

C5

– 470 nF/63 V MKSE

C4

– 47

mF/16 V 04/U

W£1

– mikro³¹cznik

W£2

– prze³¹cznik bistabilny

przesuwny

p³ytka drukowana

numer 431

Wykaz elementów

Pó³przewodniki

Rezystory

Kondensatory

Inne

à

mgr in¿. Rafa³ Bierestowski

Du¿e zainteresowanie tematem „Inteli-

gentnego wykrywacza metali” sk³oni³o ze-
spó³ redakcyjny do g³êbszego przestudiowa-
nia tematu. Z informacji dostarczonych przez
autora artyku³u wynika, ¿e model testowy
nie cechowa³ siê zbyt du¿¹ czu³oœci¹. G³ówna
przeszkod¹ w zwiêkszeniu zasiêgu wykrywa-
cza jest jego czêstotliwoœæ pracy. Jak zauwa-
¿y³ Pan Henryk Sondej ze Zg³obic t³umienie
czêstotliwoœci 2 MHz w ziemi jest du¿o wiêk-
sze ni¿ czêstotliwoœci rzêdu dziesi¹tek kHz.
Jednak¿e czêstotliwoœæ obwodu rezonanso-
wego stanowi jednoczeœnie generator taktu-
j¹cy mikrokontroler – nie nale¿y jej zbytnio

obni¿aæ gdy¿ wp³ynie to na zmniejszenie czê-
stotliwoœci pomiarów.

W tym miejscu pragniemy zaznaczyæ, ¿e

autor artyku³u mia³ na celu zaprezentowanie
ciekawej, jego zdaniem, techniki pomiaru. Ar-
tyku³ mia³ charakterze informacyjno-pogl¹do-
wym i jego celem by³o zainteresowanie innych
konstruktorów oryginalnym pomys³em. Autor
udostêpni³ nam Ÿród³a programu, które zamie-
szczamy na naszej stronie

www.pe.com.pl

Aby jednak nie zaprzepaszczaæ projektu

spróbowaliœmy go nieco udoskonaliæ. Z prze-
prowadzonej przez redakcjê analizy wynika,
¿e zwiêkszenie czu³oœci mo¿na osi¹gn¹æ po-

przez przekonstruowanie cewki oraz zwiêk-
szenie pojemnoœci kondensatora C5 do 1

mF.

Jednak¿e dwukrotne zwiêkszenie pojemnoœci
tego¿ kondensatora spowoduje dwukrotne
zmniejszenie czêstotliwoœci pomiarów, która
wyniesie wówczas oko³o 200 ms (wartoœæ je-
szcze akceptowalna). Cewka powinna byæ
nieco wiêksza, zaekranowana i usztywniona
np. poprzez zalanie ¿ywic¹. Takie zabiegi po-
zwol¹ na wykrywanie wiêkszych przedmio-
tów metalowych z odleg³oœci kilkudziesiêciu
centymetrów.

Wszystkim bardziej zainteresowanym

tym tematem polecamy lekturê artyku³u pt.
„Wykrywacz metali Transet 150” zamieszczo-
nego w PE 3/95.

Uwagi do „Inteligentnego wykrywacza metali”

à

Redakcja

26

5/99