Металлоискатель на атмега8 своими руками

Добавил пользователь Владимир З.
Обновлено: 08.09.2024

Металлоискатель на принципе частотомера с разрешением сотые-десятые доли Герца (в зависимости от рабочей частоты).

Частота синусоидального генератора от 3 до 20 кГц (в зависимости от числа витков и диаметра катушки металлоискателя).

Чем выше частота, тем лучше различаются мелкие предметы.

Готовность работы после прогрева 1-2 минуты (если генератор залить эпоксидом - 15 мин). Балансировка кнопкой "BALANCE".

Катушка не боится замыканий. Индуктивность катушки более 2 миллиГенри. Можно использовать несколько разных катушек на разные рабочие частоты.

Металлоискатель выполнен на микроконтроллере ATMega48PA. Программа регистрирует отклонение частоты при приближении к черным или цветным металлам. Методами цифровой обработки вычисляется условное индикаторное знаковое значение отклонения частоты. На жидкокристаллическом индикаторе 16х2 в верхней строке отображается уровень в прямоугольниках от 0 до 16, а на второй строке - знаковое значение отклонения. Проект программы собран под AVRStudio 5.1.

Обращаем Ваше внимание, что проект самодельного металлоискателя может быть изменен и улучшен. В частности, можно поднять напряжение питания синусоидального генератора для увеличения глубины обнаружения. Также можно после генератора поставить лучший формирователь импульса. В исходном коде можно увидеть, что прерывание возникает по заднему фронту импульса (в данной схеме задний фронт круче переднего). От крутизны фронта зависит разрешающая способность частотомера.

Частотный детектор

Один из самых простых - это прибор, работающий по принципу "срыва резонанса" (OR - Off Resonance). Принцип действия этого прибора основан на использовании частотного детектора на основе колебательного контура. См. рис. 1.

Рисунок 1. Структурная схема OR металлоискателя

Колебательный контур частотного детектора имеет резонансную частоту, близкую к частоте поискового генератора. Изменение частоты генератора приводит к изменению амплитуды сигнала на контуре, что фиксируется помощью индикатора, например стрелочного прибора. Такие приборы не нашли широкого применения. Их недостатки - необходимость обеспечения стабильной амплитуды сигнала на выходе генератора, а также необходимость подстройки резонансной частоты контура из-за влияния дестабилизирующих факторов как на контур поискового генератора, так и на контур частотного детектора.

Метод биений

Другой прибор, - это металлоискатель на биениях (BFO - Beat Frequency Oscillation). Принцип действия такого металлоискателя основан на биениях частоты эталонного генератора и частоты поискового генератора. См рис. 2.

Рисунок 2. Структурная схема BFO металлоискателя

Измерительный и эталонный генераторы настраиваются на одинаковую частоту. При изменении частоты измерительного генератора на выходе смесителя появляется сигнал разностной частоты. Оператор воспринимает этот сигнал на слух или визуально – в зависимости от конструкции. Такие приборы производятся уже несколько десятилетий. Сейчас по такому принципу строятся, в основном, недорогие металлоискатели-игрушки и любительские металлоискатели. Такие приборы имеют ряд недостатков. Первый - это наличие паразитной взаимной синхронизации обоих генераторов. Это приводит к тому, что оказывается невозможным оценить очень малую разность частот и как следствие – существенно снижается чувствительность прибора. Второй недостаток - это отсутствие селекции по типам металлов. Ферромагнитные объекты вызывают понижение частоты, а металлические неферромагнитные – повышение частоты измерительного генератора. Однако после смесителя в BFO металлоискателе информация о знаке ухода частоты теряется.

Частотный детектор на основе ФАПЧ

Следующий прибор (PLL - Phase Locked Loop) - это прибор, в котором недостаток металлоискателя на биениях используется во благо. В таком приборе оба генератора, измерительный и эталонный, работают строго на одной частоте. Причем частота измерительного генератора подстраивается под частоту эталонного генератора с помощью системы ФАПЧ. См. рис. 3.

Рисунок 3. Структурная схема PLL металлоискателя

Сигнал напряжения подстройки используется для определения величины и знака изменения частоты. Такие металлоискатели обладают селекцией по типам металлов. Существует несколько радиолюбительских конструкций такого типа. К недостаткам таких приборов можно отнести следующее - наличие "полезной" ФАПЧ не исключает наличия паразитной взаимной синхронизации обоих генераторов, как и в приборе на биениях. Это приводит к тому, что уменьшается крутизна регулировочной характеристики, и как результат уменьшается дальность обнаружения.

Цифровой частотометр

Идея использования цифрового частотомера для регистрации ухода частоты измерительного генератора не нова. Такой металлоискатель (FM - Frequency Meter см. Рис.4.) свободен от большинства недостатков, присущих предыдущим схемам. Его принцип действия заключается в следующем:

Сначала электронный частотомер оценивает частоту измерительного генератора, когда датчик находится вдали от объектов поиска. Это значение заносится в запоминающий регистр. Затем, в процессе поиска, частотомер непрерывно измеряет текущую частоту измерительного генератора. Из полученных значений вычитается значение эталонной частоты, и результат подается на устройство индикации. Очевидно, что в такой конструкции эффект паразитной взаимной синхронизации генераторов будет выражен значительно слабее – ведь теперь частота измерительного генератора (единицы-десятки килогерц) на несколько порядков ниже частоты опорного генератора (десятки мегагерц). С помощью частотомера можно измерить не только величину ухода частоты измерительного генератора, но и ее знак, следовательно, такой металлоискатель обладает селективностью по типам металлов.

Рисунок 4. Структурная схема FM металлоискателя

Однако реализация этой идеи "в лоб", не позволяет получить реальную чувствительность, большую чем в приборе на биениях. Это связано с тем, что невозможно напрямую в реальном масштабе времени (20…40 мс на один отсчет) регистрировать очень малые уходы частоты (единицы и доли герц). Нам удалось решить эту проблему следующим образом - из теории радиоизмерений известен метод "быстрого" измерения низких частот - т.н. метод обратного счета. В этом методе измеряется период сигнала, а частота вычисляется как его обратная величина. Оставалась только задача практической реализации.

Практическая конструкция металлоискателя

Очевидно, что если реализовывать такое устройство на элементах средней степени интеграции, то получится сравнительно сложный и громоздкий прибор, что для мобильного исполнения нежелательно. Выходом из этой ситуации стало применение микроконтроллера. На микроконтроллер оказалось возможно возложить не только задачу по измерению периода, но и практически все функции по обработке результатов – вычисление разности частот, звуковую и световую индикацию результатов измерений. Наш металлоискатель реализован на микроконтроллере AT90S2313-10PI производства фирмы Atmel.

Основные технические характеристики металлоискателя

Напряжение питания: 5,5-20 В
Потребляемый ток: 15 мА
Индикация: световая - 7 светодиодов и звуковая
Режимы поиска: статический и динамический
Дискриминация: ферромагнетики/неферромагнетики
Глубина обнаружения (на воздухе):

Монета диаметром 25 мм: 11 см
"Пистолет": 17 см
"Каска": 37 см

Принципиальная схема

Принципиальная схема металлоискателя по принципу частотомера изображена рис.5.

Рисунок 5. Принципиальная электрическая схема металлоискателя

Измерительный генератор построен на таймере D1 NE555. Она используется в несколько необычном включении - в качестве LC генератора. Колебательный контур генератора состоит из конденсаторов C1,C2 и катушки индуктивности датчика. Резонансная частота контура определяется как

где C - это последовательное соединение конденсаторов C1 и C2. Так как микроконтроллер автоматически подстраивается под частоту измерительного генератора, в схеме не предусмотрена подстройка частоты генератора. При использовании датчика диаметром 190 мм (100 витков) и емкостях конденсаторов С1=0.047 F и C2=0.01 F частота составит около 20 кГц. При необходимости ее можно изменить, заменив конденсаторы C1, C2. При этом желательно чтобы их емкости находились в соотношении примерно (4…6): 1.

На микроконтроллер D2 возложены все остальные функции по обработке сигнала измерительного генератора вплоть до индикации. В данной схеме применен микроконтроллер AT90S2313, описанный выше. Исполнение Industrial (температурный диапазон -40C…+85C). Это сделано из соображений, чтобы прибор мог эксплуатироваться в полевых условиях при отрицательных температурах. Непосредственно к микросхеме микроконтроллера подключены как органы управления, так и органы индикации. В металлоискателе реализованы два режима работы, которые задаются при помощи переключателя S1 - статический и динамический. В статическом режиме сигнал, который представляет собой цифровой код разности частот, логарифмируется и сразу подается на индикацию. Каждый уровень световой индикации сопровождается своим тоном звуковой индикации.

Динамический режим предназначен для поиска мишеней в сложных условиях, 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 своем приборе мы применили оптимальную согласованную фильтрацию. Вкратце ее суть заключается в том, что для любого сигнала существует оптимальный фильтр, позволяющий получить максимальный отклик на выходе фильтра. Мы реализовали такой цифровой фильтр для сигнала расстройки частоты, который возникает при движении поисковой катушки над мелкими мишенями со скоростью 0.5-1 м/c. Фильтр реализован программно.

При помощи переменного резистора R6 регулируется 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 Y предназначен для звуковой индикации отклонения частоты сигнала измерительного генератора.

Схема содержит рекордно низкое количество деталей. При этом к ним не выдвигается особых требований. Микросхему AT90S2313-10PI можно заменить на AT90S2313-10PC, однако, в этом случае не гарантируется работа при температуре меньше 0C. (что вполне может быть в полевых условиях).

Микросхему D1 можно попробовать заменить на КР1006ВИ1. Светодиоды желательно выбирать с повышенной яркостью свечения. Стабилизатор D3 можно заменить на К1184ЕН1 или, что несколько хуже - 78L05. В последнем случае минимально допустимое напряжение батареи составит 6,7 В. К резисторам особых требований не предъявляется. Они могут иметь рассеиваемую мощность 0,125-0,25 Вт.

Конденсаторы C1 и C2 – должны иметь минимальный ТКЕ, особенно C2. К остальным конденсаторам не предъявляется особых требований.

Наушник Y (или наушники) можно взять от плеера. Возможно потребуется подобрать номинал резистора R3 для получения приемлемой громкости. В крайнем случае, наушник можно заменить на пьезоизлучатель.

Конструкция корпуса прибора может быть достаточно произвольной.

Особо следует остановиться на конструкции поисковой катушки - она может быть реализована различными способами. Основные требования к ней - жесткость конструкции, герметичность и наличие электростатического экрана. Можно предложить следующую технологию изготовления катушки:

Берется доска подходящего размера и на ней рисуется окружность диаметром 190 мм. Затем равномерно по окружности в доску забиваются небольшие гвозди - 15…20 штук. На эти гвозди наматывается 100 витков эмалированного провода диаметром 0.3 - 0.56 мм. После намотки гвозди извлекаются или подгибаются и катушка снимается с оправки. Следующий этап - обмотка катушки изолентой. Обмотка ведется внахлест. См. рис.6

Рисунок 6. Обмотка катушки липкой лентой

Аналогичным образом поверх слоя из липкой ленты наносится слой из алюминиевой фольги, служащий экраном обмотки датчика. Для этого фольга нарезается на полосы шириной около 10 мм. Для предотвращения образования короткозамкнутого витка, снижающего добротность контура, обмотка из фольги должна занимать не всю поверхность кольца обмотки датчика - от фольги оставляется свободным небольшой участок длиной 10-20 мм. Отвод от экрана выполняется луженым одножильным проводом, который закрепляют узлом поверх экрана. В завершение, кольцо обмотки датчика обматывают еще одним слоем липкой ленты по все поверхности, выпустив наружу выводы обмотки и экрана. К этим выводам подпаивается экранированный кабель, который соединяет катушку с металлоискателем. Жесткость катушке можно придать различными способами. Один из них - подобрать подходящий корпус, например, взять крышку от набора пластиковой посуды, поместить в него катушку и залить эпоксидной смолой. Предварительно необходимо проделать в корпусе отверстие и продеть в него кабель. Также на корпусе катушки необходимо предусмотреть крепление для штанги.

Вид печатной платы, расположение элементов на печатной плате и рисунок печатной платы (М1:1) приведены на рис.7, 8 и 9.

Настройка прибора

Можно предложить следующий порядок настройки прибора.

Работа с прибором

Если переключатель S1 замкнут, то 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 последовательно загораться светодиоды VD5, VD6, VD7. 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.

При размыкании переключателя S1 прибор переходит в динамический режим. В этом режиме 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 этих ложных срабатываний.

При прочих равных условиях динамический режим за счет фильтрации позволяет достичь лучшей чувствительности по сравнению со статическим режимом. Однако статический режим также бывает иногда необходим. Например, необходимо проверить дно узкой ямы. В этом случае нет возможности осуществлять горизонтальные качания поисковой катушки, которые необходимы для динамического режима. Здесь выручит статический режим.

Поиск артефактов под землей — довольно популярное занятие. Для кого-то, это профессия, кто-то просто увлекается археологией. Существуют многочисленные группы кладоискателей: как романтиков, так и прагматичных добывателей ценностей. Всех этих людей объединяет одна страсть: поиск металлических предметов, спрятанных на различной глубине.

Если у вас есть точная карта с указанием места захоронения клада, либо планы проведения боев во время войны, это не гарантирует успех. Можно перелопатить тонны грунта, а искомый предмет будет спокойно лежать в паре метров от места активного поиска.

Для поиска золота, и менее ценных металлов, вам потребуется металлоискатель, который можно сделать своими руками.

Важная информация: Применение подобных приборов не запрещено Законом. Однако существуют наказания за последствия такого поиска, касающиеся раскопок, а также извлечения обнаруженных предметов.

Не будем вдаваться в тонкости, это тема другой статьи. Проще говоря: если вы нашли золотое кольцо на пляже, либо горсть советских монет в лесу — проблем, связанных с применением электронных средств поиска не будет.

А вот за извлеченные бронзовые ложки возрастом от 100 лет и старше, можно получить реальный срок или крупный штраф.

Тем не менее приборы для поиска металлических предметов в толще земли свободно продаются, а желающие сэкономить могут сделать металлоискатель своими руками в домашних условиях.

Принцип работы устройства

В отличие от детекторов грунта, работающих с использованием волн различной частоты или ультразвука, металлоискатель (фабричный, или созданный своими руками), работает с индуктивностью.

Катушка излучает электромагнитное поле, которое затем анализируется приемником. Если в зоне действия оказывается любой предмет, который проводит электроток, либо имеет ферромагнитные свойства — формат поля искажается. Точнее сказать, под действием активного поля катушки, объект формирует собственное. Это событие фиксируется приемником, и генерируется оповещение: перемещается стрелка прибора, звучит тональный сигнал, загораются световые индикаторы.

Зная методику работы, можно рассчитать электрическую схему, и создать мощный металлоискатель своими руками. Сложность конструкции зависит только от наличия элементной базы и вашего желания. Рассмотрим несколько популярных вариантов, как собрать самодельный металлоискатель:

Такое прозвище получено из-за характерной формы площадки, на которой расположены катушки индуктивности.

Расположение элементов связано с принципом работы. Схема выполнена в виде двух генераторов, работающих на одной частоте. При подключении к ним одинаковых катушек, создается индукционный баланс. Стоит попасть в электромагнитное поле постороннему предмету, обладающему электропроводимостью, как баланс поля разрушается.

Генераторы реализуются на микросхемах NE555. На иллюстрации изображена типовая схема такого прибора.

Катушка для металлоискателя (их две, на схеме: L1 и L2) делается своими руками из провода сечением 0.5–0.7 мм². Идеальный вариант — трансформаторная обмоточная медная жила в лаковой изоляции (извлекается из любого ненужного трансформатора). Характеристики не обязательно выдерживать с ювелирной точностью, при одном условии: катушки должны быть одинаковыми.

Примерные параметры: диаметр 190 мм, в каждой катушке ровно 30 витков. Собранное изделие должно быть монолитным. Для этого витки прихватываются монтажной нитью, и заливаются трансформаторным лаком. Если этого не сделать, вибрация витков будет сбивать схему с настроенного баланса.

Электрическая схема

Есть два варианта изготовления:

учитывая малое количество элементов, можно собрать ее на макетной плате, соединив ножки деталей с помощью проводников;
для аккуратности и надежности, лучше вытравить плату по предложенному чертежу.

Так же, как и металлоискатель на транзисторах, прибор на NE555 нуждается в точной настройке перед использованием. На схеме видно три переменных резистора:

R1 предназначен для настройки частоты генератора и достижения того самого баланса;
R2 грубо настраивает чувствительность;
с помощью резистора R3 можно выставить чувствительность с точностью до 1 см.

Информация: Подобная схема не может дискриминировать металлы. Искатель лишь дает понять, что объект существует. А по тональности сигнала (исходя из вашего опыта) можно определить приблизительный объем и глубину залегания.

Питание достаточно универсальное: 9–12 вольт. Можно подобрать АКБ от источника бесперебойного питания, или собрать блок питания из аккумуляторов формата ААА. Неплохой вариант — батареи 18650 (их еще используют для вейпа).

Фиксируем кольца, и вращаем резистор R1 до появления устойчивого потрескивания с ровными интервалами.

Поднося к месту перехлеста катушек (это и есть очка поиска) металлические предметы, добейтесь устойчивого писка. Чувствительность регулируем резистором R2.

Остается подстройка резистором R3, который используется скорее для корректировки падения напряжения в источнике питания.

Механическая часть

Штанга для металлоискателя своими руками делается из легкой пластиковой трубы, либо из дерева. Использование алюминия нежелательно, поскольку он будет мешать работе. Схему и органы управления можно спрятать в герметичный корпус (например, распаечная коробка для проводки).

Пират

На той же микросхеме NE555. Это классический генератор, который начинает работать при появлении металла в зоне действия катушки. Никаких подстроек не требуется, просто в динамике раздастся писк.
Металлоискатель, собранный на транзисторах, работает по такому же принципу. Собственно и схема аналогичная, только NE555 заменена транзисторным генератором на КТ315.

Питание желательно приблизить к 12 вольтам, поскольку качество работы зависит от напряжения. Печатные платы уже опробованы, оба варианта на иллюстрации.

Рукоятку лучше выполнить разъемной, для удобства транспортировки. Помним, что использование металлов недопустимо.

Чувствительность регулируется двумя переменными резисторами в реальном времени, при проведении поиска. Никакая точная подстройка генератора не требуется.

Подводный металлоискатель своими руками сделать сложнее, но он даст неоспоримое преимущество перед конкурентами.

Улучшение характеристик

Увеличение диаметра катушки индуктивности. При этом существенно повышается проницаемость вниз, но снижается чувствительность к небольшим предметам.
Снижение числа витков катушки с одновременной подстройкой схемы. Для этого придется пожертвовать одной катушкой для экспериментов. Снимаем (и отрезаем) виток за витком, пока не увидим, что чувствительность начала снижаться. Запоминаем количество витков при максимальных параметрах, и делаем новую катушку для этой схемы. Затем меняем резистор R7 на переменный, с аналогичными параметрами мощности. Проведя несколько экспериментов с чувствительностью, фиксируем сопротивление, меняем переменник на постоянный резистор.

Пользоваться таким прибором удобнее, но дискриминации металлов по-прежнему не будет.

Разобравшись, как сделать металлоискатель своими руками для любительских задач, кратко разберем несколько серьезных моделей.

Металлоискатель Clone PI W своими руками

По сути, это удешевленный вариант профессионального искателя Clone PI-AVR, только вместо ЖК дисплея применяется линейка светодиодов. Это не так удобно, но по-прежнему позволяет контролировать глубину залегания артефактов.

Оптимальный по цене вариант — на микросхеме CD4066 и микроконтроллере ATmega8.

Разумеется, под это решение есть и макет печатной платы, только кнопки управления выносятся на отдельную панель.

Программирование ATmega8 — это тема отдельной статьи, если вы работали с такими контроллерами, никаких сложностей не возникнет.

Мощный металлоискатель Clone PI W, сделанный своими руками, позволяет находить металл не глубине более метра, правда без дискриминации.

Если вам нужен самодельный металлоискатель с дискриминацией металлов, обратите внимание на эту модель. Схема достаточно сложная, но ваши труды окупаются найденными монетами, которые могут оказаться золотыми.

Приемная катушка располагается внутри, 48 витков диаметром 100 мм.

Настройка производится с помощью осциллографа, после достижения оптимальных результатов по амплитуде, обмотки фиксируются в корпусе с помощью заливки эпоксидной смолой.

Затем производится опытная практическая настройка переключателя дискриминации. Для этого используются реальные объекты из различных металлов, а на переключателе режимов наносится их тип (после проверки).

Простые детекторы металла из готовых электроприборов

Металлоискатель из радиоприемника можно сделать, добавив к нему простой ВЧ передатчик:Поисковая катушка мотается из провода 0.5 мм²: 16 витков 12 см. При попадании в зону действия металлического предмета, приемник, настроенный на СВ/ДВ диапазон, будет менять тональность звука.
Самодельный металлоискатель из сотового телефона — это не более, чем миф. Модернизация его электросхемы в домашних условиях не реализуема, а заставить штатный мобильник работать детектором металл технически невозможно.
Металлоискатель из магнита, собственно, и делать не нужно. Вы просто подносите мощный неодимовый магнит к месту, где есть металлический предмет, и физически чувствуете силу притяжения. Разумеется, это работает только с металлами, имеющими ферромагнитные свойства (железо, сталь).

Вне зависимости от сложности схемы, изготовление самодельного металлоискателя потребует от вас достаточно времени и сил. Поэтому из любопытства, такие приборы не делают. А вот для профессионального использования — это отличная альтернатива фабричным экземплярам.