11/98

7

tliwoœciami. Wyjœcie komparatora steruje

wskaŸnikiem wychy³owym lub s³uchaw-

Inteligentny wykrywacz metali

kami. Filozofia pracy prezentowanego tu

Poszukiwaczom skarbów i saperom proponujemy wykonanie bar-inteligentnego wykrywacza metali jest

dzo prostego a zarazem wyj¹tkowo funkcjonalnego wykrywacza nieco inna – opisujemy j¹ poni¿ej.

metali. Jego niezwyk³e cechy zawdziêczamy zastosowaniu mikro-Na rysunku 1 przedstawiono sche-

mat ideowy inteligentnego wykrywacza

kontrolera PIC. Urz¹dzenie nadaje siê idealnie do pracy w terenie metali. Jak widaæ, urz¹dzenie jest wyj¹t-gdy¿ jest niewielkie i mo¿e byæ zasilane z baterii. Pokrêt³o stro-kowo proste, gdy¿ wszystkie funkcje spe³-

jenia zastêpuje przycisk kalibracji – znacznie u³atwiaj¹cy obs³ugê.

niane s¹ przez jeden uk³ad – PIC 12C508.

Wykrywacz metali mo¿e byæ zasilany napiêciem z zakresu 3÷5 V

Zapisany w nim program wykorzystuj¹c

i pobiera jedynie 2 mA pr¹du.

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-

swoje dzia³anie opieraj¹ na tym w³aœnie

wych znajduj¹cych siê w pobli¿u cewki

Zasada dzia³ania i budowa wy-

zjawisku – ka¿de urz¹dzenie tego typu ja-

L1. Mikrokontroler ma za zadanie zmie-

krywacza metali

ko detektor wykorzystuje cewkê powie-

rzyæ w chwili uruchamiania w³asn¹ czê-

Jak wiadomo elementy metalowe

trzn¹ o du¿ej œrednicy. Urz¹dzenia analo-

stotliwoœæ pracy, zapamiêtaæ j¹ i porów-

mog¹ wp³ywaæ na indukcyjnoœæ cewek.

gowe wykorzystuj¹ z regu³y generator re-

nywaæ z aktualn¹ czêstotliwoœci¹ zale¿n¹

Dzieje siê tak za spraw¹ du¿ej przenikal-

zonansowy LC, oraz generator pomocni-

od otoczenia obwodu rezonansowego L1,

noœci magnetycznej metali (w stosunku

czy, który nastraja siê na tak¹ sam¹ lub

C1. Aby mikrokontroler mia³ mo¿liwoœæ

do powietrza). Zmiana indukcyjnoœci

zbli¿on¹ czêstotliwoœæ. Sygna³y z obydwu

zmierzenia czêstotliwoœci pracy, do jego

wp³ywa na zmianê czêstotliwoœci rezo-

generatorów s¹ doprowadzone do kom-

wejœcia GP2 do³¹czono obwód RC (R3,

nansowej obwodu LC, w którym ta cew-

paratora fazy (czêstotliwoœci), który wy-

R4, C5). Za jego pomoc¹ PIC okreœla in-

ka pracuje. Rozmaite wykrywacze metali

krywa ró¿nice pomiêdzy dwoma czêsto-

terwa³ czasowy o sta³ej wartoœci,

który pozwala na wyznaczenie zmian czê-

stotliwoœci

generatora

zegarowego.

Wyprowadzenie GP2 pe³ni dwie funkcje –

roz³adowuje kondensator C5 (skonfiguro-

W£2

BATERIA

wany jako wyjœcie) i kontroluje narost

+Uz

T

C4

napiêcia na jego ok³adkach (skonfiguro-

C1

47mF/16V

R2

15p

1k

wany jako wejœcie). Przebieg napiêcia

R1

R4

10k

100k

na linii GP2 ilustruje rysunek 2. Po roz³a-

D1

1

8

SLUCHAWKI

L1

Vdd

Vss

LED

dowaniu kondensatora napiêcie na nó¿ce

2

7

GP5/OSC1/CLKIN

GP0

S1

3

6

GP2 jest bliskie 0 V. Po wprowadzeniu

GP4/OSC2

GP1

S2

4

5

GP3/MCLR

GP2/T0CKI

portu GP2 w stan wysokiej impedancji

R3 200W

C2

C3

napiêcie na kondensatorze C5 roœnie

W£1

US1

,,

C5

15p

15p

,, ZERO

PIC12C508

470n

wyk³adniczo do wartoœci, która zostanie

,,

,,WYKRYWACZ

zinterpretowana przez uk³ady logi-

czne mikrokontrolera jako stan wysoki.

Czas ³adowania zostaje zapamiêtany

w rejestrach procesora i cykl pomiarowy

Rys. 1 Schemat ideowy inteligentnego wykrywacza metali powtarza siê.

8

11/98

Vth

CALC_FREQ

Vth-1

Roz³aduj

kondensator C5

Zeruj licznik TMR0

Bie¿¹ca czêstotliwoœæ = 0

Vth-0

GP2-out

GP2-in

T=100ms

Bie¿¹ca czêstotliwoœæ =

bie¿¹ca czêstotliwoœæ +

wartoϾ TMR0

Rys. 2 Przebieg napiêcia na wyprowadzeniu GP2 mikrokontrolera Przycisk ZERO s³u¿y do okresowej ka-wem temperatury, wahañ napiêcia zasila-

libracji czêstotliwoœci odniesienia. Czêsto-

nia i skoñczonej stabilnoœci elementów.

Obwód RC

na³adowany

tliwoœæ oscylatora LC oraz sta³a czasowa

NIE

(zmiana stanu

obwodu RC mo¿e zmieniaæ siê pod wp³y-

portu GP2)?

Algorytm dzia³ania

Mo¿liwych jest wiele algorytmów de-

TAK

tekcji przedmiotów metalowych i auto-

matycznej kalibracji. My zdecydowaliœmy

Powrót

Start

siê na implementacjê algorytmu, który

ilustruje rysunek 3.

Rys. 4 Pomiar metod¹ poœredni¹

Przebiega on nastêpuj¹co. Po uru-

czêstotliwoœci generatora LC

Wstêpna

chomieniu i ustabilizowaniu oscylacji ge-

inicjacja

neratora LC procesor przeprowadza po-

tzn. wzrost czêstotliwoœci pracy procesora

miar bie¿¹cej czêstotliwoœci generatora

powoduje zwiêkszenie liczby taktów ze-

Czekaj na stabilizacjê oscylatora

i napiêcia zasilaj¹cego

LC (CALC_FREQ). Zmierzon¹ czêstotli-

garowych przypadaj¹cych na jednostkê

woϾ traktuje jako wartoϾ odniesienia.

czasu. Poniewa¿ sta³a czasowa obwodu

Czêstotliwoœæ odniesienia =

Nastêpnie dokonuje cyklicznego pomiaru

RC nie jest dok³adnie okreœlona (choæ nie-

bie¿¹ca czêstotliwoœæ

czêstotliwoœci generatora LC i oblicza bez-

zmienna w czasie), procesor w oblicze-

wzglêdn¹ wartoœæ jej odchylenia w sto-

niach bazuje na wartoœciach wzglêdnych.

sunku do czêstotliwoœci odniesienia. Je¿e-

Pomiar i obliczenie bie¿¹cej

czêstotliwoœci oscylatora

li ró¿nica tych dwóch czêstotliwoœci prze-

Konstrukcja mechaniczna

(CALC_FREQ)

kroczy okreœlon¹ wartoœæ (limit maksy-

i uruchomienie

malny) wówczas w³¹czana jest dioda

Przesuniêcie czêstotliwoœci =

œwiec¹ca i generowany sygna³ dŸwiêko-

P³ytka drukowana musi byæ umie-

abs (czêstotliwoœæ odniesienia –

czêstotliwoœæ bie¿¹ca)

wy. W przeciwnym przypadku dioda LED

szczona mo¿liwie blisko cewki indukcyj-

pozostaje zgaszona a sygna³ dŸwiêkowy

nej L1. Rozmiar cewki L1 zale¿y od roz-

nie jest generowany. Wciœniêcie klawisza

miarów

wykrywanych

elementów.

Przesuniêcie

ZERO zainicjuje ponowny pomiar czêsto-

W prototypie zastosowano cewkê o na-

czêstotliwoœci >

NIE

maksymalnego

tliwoœci odniesienia. Jak wiêc widaæ, wy-

stêpuj¹cych parametrach: œrednica 80

limitu?

krywacz metali dzia³a dwustanowo,

mm, 21 zwojów drutem DNE 0,3, induk-

a wartoϾ maksymalnego limitu tworzy

cyjnoœæ 100 mH. W razie potrzeby mo¿na

TAK

histerezê. Jej zmniejszanie zwiêksza czu-

wykonaæ cewkê o innej œrednicy, lecz na-

³oœæ urz¹dzenia lecz zwiêksza wp³yw nie-

le¿y pamiêtaæ, ¿e musi mieæ indukcyjnoœæ

W³acz LED i sygna³

Wy³¹cz LED i sygna³

dzwiêkowy

dzwiêkowy

stabilnoœci obwodu RC na wynik pomia-

100 mH. Cewkê nale¿y zabezpieczyæ ta-

ru. Dlatego konieczne by³o dobranie op-

œm¹ izolacyjn¹ lub ¿ywic¹ epoksydow¹.

tymalnej wartoœci limitu maksymalnego.

Cewka powinna byæ po³¹czona z p³ytk¹

Pomiar czêstotliwoœci oscylatora LC

wykrywacza „na sztywno”.

Przycisniêty

odbywa siê metod¹ poœredni¹, jak przed-

Poprawnie wykonany obwód LC po-

NIE

klawisz ZERO?

stawiono to na rysunku 4. Do tego celu

woduje powstanie oscylacji na czêstotli-

wykorzystywany jest licznik TMR0. Proce-

woœci oko³o 2 MHz. W przypadku trud-

TAK

sor za poœrednictwem do³¹czonego do

noœci z okreœleniem indukcyjnoœci cewki

jednego ze swoich wyprowadzeñ obwo-

mo¿na skorzystaæ z miernika czêstotliwo-

du RC odmierza sta³y interwa³ czasowy.

œci i sprawdziæ czêstotliwoœæ generowa-

Przy zmiennej czêstotliwoœci pracy bêdzie

nych drgañ na wyprowadzeniu GP4 US1.

on odpowiada³ ró¿nej liczbie taktów ze-

Urz¹dzenie zmontowane ze spraw-

Rys. 3 Algorytm dzia³ania wykrywacza metali

garowych. Zale¿noœæ jest proporcjonalna

nych elementów powinno dzia³aæ bez ko-

11/98

9

wygaszona (brak sygna³u dŸwiêkowego).

Wykaz elementów

Zbli¿enie metalowego przedmiotu do

cewki L1 powinno spowodowaæ zapale-

Pó³przewodniki

431

nie diody D1 i w³¹czenie sygna³u dŸwiê-

US1

– PIC 12C508 z programem

kowego. Ewentualnych przyczyn niepra-

„WYKRYWACZ”

wid³owego dzia³ania wykrywacza metali

D1

– LED kolor œwiecenia

nale¿y upatrywaæ siê w konstrukcji obwo-

czerwony

du LC.

Rezystory

W miejsce s³uchawek mo¿na zastosowaæ

R3

– 200 W/0,125 W

ma³y g³oœniczek o impedancji 32÷40 W

R2

– 1 kW/0,125 W

C2

C4

A

lub przetwornik piezoelektryczny.

D1 W£2

R1

– 10 kW/0,125 W

L1

R2

P³ytki drukowane wysy³ane s¹ za zalicze-

R4

– 100 kW/0,125 W

WYKR.

PIC

S

niem pocztowym. P³ytki i zaprogramowa-

C1

R1

Kondensatory

R4

ne uk³ady PIC 12C508 z dopiskiem WY-

+

C1÷C3

– 15 pF/50 V ceramiczny

C3

KRYWACZ mo¿na zamawiaæ w redakcji

US1

R3

T

431

C5

– 470 nF/63 V MKSE

L1

PE.

ZERO

W£1

C4

– 47 mF/16 V 04/U

C5

Cena: p³ytka numer 426 – 1,50 z³

Inne

PIC 12C508 WYKRYWACZ – 25,00 z³

W£1

– mikro³¹cznik

+ koszty wysy³ki.

Rys. 5 P³ytka drukowana i rozmieszczenie

W£2

– prze³¹cznik bistabilny

Podzespo³y elektroniczne mo¿na zama-

elementów

przesuwny

wiaæ w firmie LARO.

niecznoœci uruchamiania. Po w³¹czenia

p³ytka drukowana numer 431

zasilania dioda œwiec¹ca powinna byæ

à mgr in¿. Rafa³ Bierestowski

26

5/99

przez przekonstruowanie cewki oraz zwiêk-

Uwagi do „Inteligentnego wykrywacza metali”

szenie pojemnoœci kondensatora C5 do 1mF.

Jednak¿e dwukrotne zwiêkszenie pojemnoœci

Du¿e zainteresowanie tematem „Inteli-

obni¿aæ gdy¿ wp³ynie to na zmniejszenie czê-

tego¿ kondensatora spowoduje dwukrotne

gentnego wykrywacza metali” sk³oni³o ze-

stotliwoœci pomiarów.

zmniejszenie czêstotliwoœci pomiarów, która

spó³ redakcyjny do g³êbszego przestudiowa-

W tym miejscu pragniemy zaznaczyæ, ¿e

wyniesie wówczas oko³o 200 ms (wartoœæ je-

nia tematu. Z informacji dostarczonych przez

autor artyku³u mia³ na celu zaprezentowanie szcze akceptowalna). Cewka powinna byæ

autora artyku³u wynika, ¿e model testowy

ciekawej, jego zdaniem, techniki pomiaru. Ar-

nieco wiêksza, zaekranowana i usztywniona

nie cechowa³ siê zbyt du¿¹ czu³oœci¹. G³ówna

tyku³ mia³ charakterze informacyjno-pogl¹do-

np. poprzez zalanie ¿ywic¹. Takie zabiegi po-

przeszkod¹ w zwiêkszeniu zasiêgu wykrywa-

wym i jego celem by³o zainteresowanie innych

zwol¹ na wykrywanie wiêkszych przedmio-

cza jest jego czêstotliwoœæ pracy. Jak zauwa-

konstruktorów oryginalnym pomys³em. Autor

tów metalowych z odleg³oœci kilkudziesiêciu

¿y³ Pan Henryk Sondej ze Zg³obic t³umienie

udostêpni³ nam Ÿród³a programu, które zamie-

centymetrów.

czêstotliwoœci 2 MHz w ziemi jest du¿o wiêk-

szczamy na naszej stronie www.pe.com.pl

Wszystkim bardziej zainteresowanym

sze ni¿ czêstotliwoœci rzêdu dziesi¹tek kHz.

Aby jednak nie zaprzepaszczaæ projektu

tym tematem polecamy lekturê artyku³u pt.

Jednak¿e czêstotliwoœæ obwodu rezonanso-

spróbowaliœmy go nieco udoskonaliæ. Z prze-

„Wykrywacz metali Transet 150” zamieszczo-

wego stanowi jednoczeœnie generator taktu-

prowadzonej przez redakcjê analizy wynika,

nego w PE 3/95.

j¹cy mikrokontroler – nie nale¿y jej zbytnio

¿e zwiêkszenie czu³oœci mo¿na osi¹gn¹æ po-

à Redakcja