Разработка металлоискателя

 

ВВЕДЕНИЕ

Темой курсового проекта является разработка металлоискателя.

Объектом исследования являются разработка методов поиска металла.

Предметом исследования является датчик, используемый для обнаружения металла.

Цель исследования: провести исследования методов нахождения металлов, и на основе самого прогрессирующего метода сконструировать металлоискатель.

Задачи:

1) исследование процесса нахождения металла;

2) создание структурной  и принципиальной схемы металлоискателя;

3) создание экономичного  варианта микроконтроллерного устройства;

4) исследование методов  вывода информации о нахождении  металла.

Теоретическая значимость: детально изучить материалы по металлоискателям, исследовать современные схемы функционирования металлоискателей и особенности их работы.

Практическая значимость работы заключается в том, что данную разработку можно использовать в военных целях, как средство нахождения заминированных участков, а так же в сфере строительства, для нахождения металлоконструкций в плитах перекрытия или несущих стенах.

 

1 РАСЧЕТНО-ПРОЕКТИРОВОЧНЫЙ  РАЗДЕЛ

 

1. Назначение и технические характеристики устройства

 

Металлоискатель - это электронный прибор, позволяющий обнаруживать металлические предметы в нейтральной или плохопроводящей среде за счет их проводимости.

Существуют разные виды металлоискателей. Глубинные используют для ведения поисковых работ на большой глубине,  подводные для поиска на сильно увлажненном грунте или под водой,  арочные - на массовых мероприятиях и в общественно значимых местах,  ручные  –  при таможенном досмотре и так далее.  Из примеров видно,  что металлоискатели нашли широкое применения во многих сферах применения,  хотя первоначально использовались только военными.

Существует несколько принципов работы металлоискателя: металлодетекторы, работающие по принципу уравновешенной индукции, приборы, работающие по принципу импульсного индуктивного метода, устройства, работающие по принципу расстройки и магнитометры. Наиболее популярны модели с импульсной индукцией.

 

Таблица 1 - Технические характеристики металлоискателя

Параметр	Значение
Напряжение питания	9…12 В
Ток потребления в режиме работы	35мА
Диапазон рабочих температур	0…+40 ºС
Время работы	6-8 ч.

 

 

2. Разработка структурной схемы

 

При разработке структурной схемы металлоискателя необходимо определить и учесть назначение каждого функционального узла и связей между ними.

 

 

 

 

 

 

 

Рисунок 1 - Структурная схема металлоискателя

 

Структурная схема состоит из следующих блоков:

ОГ –образцовый генератор-является источником прямоугольных импульсов стабильной частоты.

ПГ - перестраиваемый генератор-представляет собой колебательный контур, в состав которого входит датчик - катушка индуктивности.

БП - блок преобразования, используется для обработки, сравнения сигналов.

ИП - источник питания-обеспечение питания блоков схемы.

УИ - устройство индикации-используется для вывода информации.

Структурная схема металлоискателя приведена в приложении А.

 

 

3. Выбор элементной базы

 

Измерительный генератор выполнен на микросхеме К176ЛА7 и использует два логических элемента ИЛИ-НЕ. Внешний вид и условно-графическое обозначение микросхемы представлено на рисунке 2.

а)      б)

Рисунок 2– а) Внешний вид,

б)Условно-графическое обозначение

 

 

Таблица 2 - Основные технические параметры микросхемы К176ЛА7

Технические параметры	Значение
Напряжение питания	9 В
Ток потребления	≤ 0,3 мкА
Выходное напряжение низкого уровня	≤ 0,3 В
Выходное напряжение высокого уровня	≥ 8,2 В
Температурный диапазон	-10...+70ºС
Тип корпуса	DIP-14

Делитель частоты образцового генератора и измерительного генератора выполнен на микросхеме К176ИЕ4. . Внешний вид и условно-графическое обозначение микросхемы представлено на рисунке 3

а)     б)

Рисунок 3– а) Внешний вид,

б)Условно-графическое обозначение

 

 

Таблица 3 - Основные технические параметры микросхемы К176ИЕ4

Технические параметры	Значение
Напряжение питания	9 В
Ток потребления	≤ 0,3 мкА
Выходное напряжение низкого уровня	≤ 0,3 В
Выходное напряжение высокого уровня	≥ 8,2 В
Температурный диапазон	-10...+70ºС
Тип корпуса	DIP-14

 

 

 

Перестраемый генератор включает в себя один логический элемент ИЛИ-НЕ микросхемы К176ЛА7. Внешний вид и условно-графическое обозначение микросхемы представлено на рисунке 4

А)     б)

Рисунок 4– а) Внешний вид,

б)Условно-графическое обозначение

 

 

Вывод информации о нахождении металла будет осуществлять звуковой динамик 1ГД4.

 

 

Рисунок 5 - Внешний вид звукового динамика

 

 

Таблица 4 - Основные технические звукового динамика

Технические параметры	Значение
Диапазон воспроизводимых частот	100 - 10 000 Гц
Номинальная мощность	5ВТ
Номинальное сопротивление	4Ом
Габаритные размеры	30х10мм

 

1.4 Расчет основных узлов и блоков

 

Расчет параметров образцевого генератора на на частоту

f = 200+10∙13 =  330 кГц,

- принимаем  C = C1 = 50 пФ;

- полупериод колебаний T1/2 = Т1 = Т2 = 1/(2f)= 1/(2∙330∙103) = 1,52∙10-6 c;

- сопротивление резистора  определим из выражения (2.1)

R1= R2 = T1/2/(2C) = 1,52∙10-6/(2∙50∙10-12) = 30 кОм.

Сопротивление выбираем  из ряда E192 равное R1 = R2 = 33 кОм

Выбираем резисторы и конденсаторы:

C1 - К10-17-1-50В - 50 пФ 5%,

R1 – С2-50- 0.125- 47 к Ом ±0.5%.

Используя формулу нахождения частоты колебательного контура F=1/(2*π*√L*C) выражаем емкость конденсатора С2. Частота колебаний генератора 100 Гц, а двадцатая гармоника этого генератора имеет частоту 2000 кГц. При смешивании в элементе DD1.4 этой частоты с частотой кварцевого генератора получаются биения звуковой частоты.Индуктивность катушки пронимаем 200 млГн.Принимаем частоту 100Гц.

100=1/2*3.14*200*c

C=1/((3.14*2)*(100*2)*(200 10-3)=0,39мкФ

Выбираем конденсатор

C2 - К10-17-1-50В - 0.47 мкФ 5%

Расчитываем резистор R2.Ток Iб,как правило,меньше тока выхода логического элемента DD1.4.Ток выхода микросхемы равен 0.4мА,принимаем ток базы 0.2мА.

Усиливает сигнал транзистор VT1-KT315A

H21э=Iэ/Iб=1.25/0.2=6мА

Uбэ>Uпит.

Выражаем резистор R3=Uвых м.-Uбэ-Uпит/Iвых м.=(8.2-(10-9))/0.4=18.

Выбираем резистор R3 – С2-50- 0.125- 18Ом ±0.5%

 

 

1.5Разработка электрической принципиальной схемы

.Образцовый генератор задан определенной частатой около 300кГц.

Устройство генератора импульсов на ЛЭ основано на том, что ЛЭ – своего рода усилители с коэффициентом усиления от 20 до 100 с частотой среза для ТТЛ 5 – 50 МГц.

В данной работе применим генератор, имеющий нестабильность частоты 10 – 20 %, основанный на ЛЭ серии 555. На рисунке 3.1 приведена схема генератора с конденсатором в цепи обратной связи и временные диаграммы его переключений.

а)  б)

Рисунок 6 – а) Схема генератора,

б) Временные диаграммы его переключений

 

Для ТТЛ микросхем R1 выбирают R1 = 150 …680 Ом, а для КМОП микросхем -  R1 = 10 кОм …10 МОм. Резистор R1 выполняет две функции: смещает рабочую точку логического элемента ЛЭ1 на крутой участок передаточной характеристики, обеспечивая этим мягкое самовозбуждение, и вместе с конденсатором C служит времязадающим элементом. Длительность каждого полупериода колебаний Т1 и Т2 примерно равна

Т1 = Т2 = 2∙ R1∙C,

 

  Для ТТЛ микросхем этот процесс несколько ассиметричен, поскольку при входном напряжении ЛЭ1 большем, чем напряжение переключения Uперекл , входной ток его не превышает десятков микроампер – это ток утечки закрытого эмиттерного перехода МЭТ, т.е. среднее входное сопротивление ЛЭ1 здесь порядка 100 кОм.

При входном напряжении меньшем, чем напряжение переключения Uперекл входной ток возрастает почти до 1мА, следовательно, среднее входное сопротивление здесь порядка 1 кОм  и это низкое входное сопротивление логического элемента, действуя параллельно времязадающему резистору R1, уменьшает время заряда конденсатора  C  в полупериод  Т2  на  10-20% (по сравнению с Т1). Для выравнивания полупериодов Т1 и Т2 иногда параллельно резистору подключают цепочку из диода VD и резистора R2, где R2 выбирают в 5 …10 раз большим, чем R1.

Принципиальная схема генератора имеет вид, представленный на  рисунке 7.

Рисунок 7 – Электрическая принципиальная схема генератора

 

Генератор импульсов построен на основе ИМС К561ЛА7 (Iпот=2мкА). Условное обозначение  ИМС  К561ЛА7 представлена на рисунке 8.

Рисунок 8 – Условное обозначение  ИМС К561ЛА7

При нахождении металла частота измерительного  генератора находиться в предалах 10-100Гц.Измерительный генератор состоит из колебательного контура и логического элемента ИЛИ-НЕ. Электрическая принципиальная схема генератора показана на рисунке 9.

Рисунок 9 – Электрическая принципиальная схема генератора

 

 Сигнал приходящий с образцового генератора и с поисковой катушки сравнивается логическим элементом DD1.4.Далее сигнал усиливается усилителем и поступает на звуковой динамик. Электрическая принципиальная схема сравнивающего элемента и усилителя звуковой частоты приведена на рисунке 10.

 

Рисунок 10 – Электрическая принципиальная схема сравнивающего элемента и усилителя звуковой частоты

Электрическая принципиальная схема металлоискателя приведена в приложении Б.

 

 

1.6 Принцип действия

 

При включении прибора в поисковой головке создается электромагнитное поле, которое распространяется в окружающую среду. На поверхности металлов, попавших в зону действия поисковой катушки, под действием электромагнитного поля возникают вихревые токи. Эти вихревые токи создают собственные встречные электромагнитные поля, приводящие к снижению мощности электромагнитного поля, создаваемого поисковой катушкой, что и фиксируется электронной схемой прибора.Электронная схема металлоискателя обрабатывает полученную информацию и сигнализирует об обнаружении металла. Такие металлы как золото, серебро, медь имеют высокую электропроводность по сравнению с железом, тонкой алюминиевой фольгой, никелем и минералами.

 

2 ЭНЕРГО- И МАТЕРИАЛОСБЕРЕЖЕНИЕ

 

Металлоискатель относится к устройствам с автономной работой. Его автономность заключается в том, что в качестве питания используется электрическая энергия заряда батареи. Из-за того, что батарея не может работать достаточно длительное время, из-за малой емкости, при проектировании использовались радиоэлементы и радиоэлектронная аппаратура с наименьшим энергопотреблением. Также, для сохранения компактности устройства используется батарея с малым напряжением и током. Немаловажным является то, что данная конструкция металлоискателя позволяет создать устройство малых размеров с размещением всех функциональных узлов в одном корпусе с выводом антенны позволяющей обнаружить металлы. Термин "радиодетали" охватывает очень большой перечень деталей разного рода. Сюда относят транзисторы, микросхемы, диоды, различные разъёмы, реле и другие комплектующие список очень большой.