Металоискатель

 

   Вступ

   Металошукач – це електронний прилад, що дозволяє виявляти металеві предмети у нейтральному чи слабкопровідному середовищі за рахунок їх провідності. Металошукач виявляє метал у грунті, воді, стінах, в деревині, під одягом і в багажі, у харчових продуктах, в організмі людини і тварин і та ін. Бурхливий розвиток мікроелектроніки зробив металошукач компактним і надійним приладом.

   

   Перший  металошукач був  винайдений на початку XX століття в США. Спочатку прилад розроблявся для запобігання крадіжки металевих деталей із заводів. Але, згодом, користь металошукачів була помічена і в інших галузях, як промислових, так і військових. Спочатку ці апарати були занадто великі і незручні для масового використання, але на початку 60-х років були розроблені більш компактні моделі.

   Шотландський  фізик, Олександр  Белл використовував металошукач, щоб спробувати виявити місце знаходження кулі в грудях американського президента Джеймса Гарфілда в 1881 році, ця спроба була безуспішною, оскільки тіло президента знаходилося на металевому ліжку, що вводило металошукач в оману.

   Різні моделі металошукачів  працюють на різних частотах. Це пов'язано  з фізикою явища  поширення електромагнітних хвиль. Так металошукачі, що працюють на низьких частотах, можуть знаходити предмети глибоко, але великого розміру. При цьому на поверхні землі вони не помічають металеві предмети. Якщо частота роботи металошукача висока, то прилад добре виявляє дрібні об'єкти на поверхні, але не знаходить їх на глибині.

   Даний металошукач працює на високій частоті, тому йому притаманне виявлення дрібних предметів. 
 

   1 Загальний розділ

1. Область застосування та призначення

   В даному дипломному проекті розроблено конструкцію металошукача.

   Пристрій  побудований на базі мікроконтролера. Конструкція являється однокотушечною, побудована по оригінальній схемі, яка позбавлена більшості недоліків сучасних металошукачів.

   Даний металошукач призначений для любительського пошуку скарбів і реліквій, пошуку на пляжі. Маскимальна глибина, на якій пристрій виявляє металеві предмети, становить 1,5 м. Конструкція розроблена для аматорів і не є професійною.

     
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   

2. Технічні  вимоги

   1.2.1 Напруга живлення, В                                                               9;

   

   1.2.2 Струм споживання,А                                             не більше  0,1;

   1.2.3 Глибина виявлення, см

           – Монета діаметром 25 мм                                                     20;

            – Пістолет                                                                                 40;

            – Каска                                                                                         60;                                                                                                                                   

   1.2.4 Габаритні розміри, мм, вхдхш                                    35х105х90;  

   1.2.5 Маса, кг                                                                   не більше  0,5;

   1.2.6 Середня наробка на відмову не менше, год.  не менше   10200;

   1.2.7 Теплостійкість:

       – Робоча температура, °С                                                  +35;

      – Гранична температура, °С                                           +55;

        – Атмосферний тиск, мм. рт. ст                                  750±20; 

       1.2.8 Холодостійкість: 

        –  Робоча температура,°С                                         -10;

        –  Гранична температура, °С                                      -45;

        – Вологостійкість, % ( при t=25 °С )                                     93;

   1.2.9 Клас електробезпеки                                                            ІІI;

   1.2.10 Кліматичне виконання                                              УХЛ 5.1;

    1.2.11 Собівартість приладу, грн                                                203; 
 
 
 
 
 
 
 
 

  

     1.3 Опис  роботи приладу

   

   Потужний  ключ зібраний на польовому  транзисторі VT1. Так як застосований польовий транзистор типу IRF740, то ємність затвору складає понад 1000 пФ. Резистори R1, R3 призначені для "гасіння" енергії самоіндукції. Їх номінал обраний з міркувань безпечної роботи транзистора VT1, а також забезпечення аперіодичного характеру перехідного процесу в контурі, який утворений індуктивністю датчика та паразитною міжвитковою ємністю. Захисні діоди VD1, VD2 обмежують перепади напруги на вході диференціального підсилювача.

   Диференціальний підсилювач зібраний на DD1.1. Мікросхема DD1 – представляє собою операційний підсилювач типу TL074. Його відмінними властивостями є висока швидкодія, мале споживання електроенергії, низький рівень шумів, високий вхідний опір, а також можливість роботи при напругах на входах, близьких до напруги живлення. Ці властивості і зумовили його застосування в схемі. Коефіцієнт підсилення диференціального підсилювача складає близько 7 і визначається номіналами резисторів R3, R6 ... R9, R11.

   Приймальний підсилювач DD1.2 представляє собою неінвертуючий підсилювач з коефіцієнтом підсилення 57. Під час дії високовольтної частини імпульсу самоіндукції цей коефіцієнт знижується до 1 за допомогою аналогового ключа DA2.1. Це запобігає перевантаженню вхідного підсилювального тракту і забезпечує швидке входження в режим для підсилення слабкого сигналу.

   За  допомогою другого  інтегратора DD1.3 проводиться автоматичне балансування вхідного підсилювального тракту по постійному струму. Постійна інтегрування 240 мс обрана досить

  великою, щоб  зворотній зв'язок не впливав на підсилення корисного сигналу.  
 

   З допомогою цього інтегратора на виході підсилювача DD1.2 при відсутності сигналу підтримується рівень 5 В.

   Перший вимірювальний інтегратор виконаний на DD1.4. На час інтегрування корисного сигналу відкривається ключ DA2.2 і, відповідно, закривається ключ DA2.4. На ключі DA2.3 реалізований логічний інвертор. Після завершення інтегрування сигналу ключ DA2.2 закривається і відкривається ключ DA2.4. Накопичувальний конденсатор С5 починає розряджатися. Час розряду буде пропорційний напрузі, яка встановилася на конденсаторі C5 до кінця інтегрування корисного сигналу. Цей час вимірюється за допомогою мікроконтролера, який здійснює аналого-цифрові перетворення. Для вимірювання часу розряду конденсатора C5 використовуються аналоговий компаратор і таймери, які вбудовані в мікроконтроллер DD2.

   

   Кнопками  SВ1…SВ5 задається налаштування металошукача.

   За  допомогою світлодів  HL1…HL10 проводиться світлова індикація.    
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   

   

    

   2 Розрахунковий розділ

    2.1 Електроконструктивний розрахунок плати

   друкованої 

   2.1.1 Початкові дані для розрахунку плати друкованої (ПД):

   а) схема електрична принципова, яка визначає кількість елементів  і характер зв¢язків між ними, кількість і характер зовнішніх зв¢язків, елементну базу;

   б) технічні вимоги до конструкції: умови роботи, конструктивні обмеження, вимоги до типізації, уніфікації.

   2.1.2 При розробці електричних з'єднань на основі ПД визначається:

   а) конструктивно-технологічний  тип ПД, її клас точності, матеріал основи;

   б) площа, габарити, співвідношення сторін та розмірів ПД;

   в) параметри елементів  плати;

   г) розміщення елементів;

   д) малюнок друкованих провідників.

   2.1.3 Вибираємо матеріал, з якого виготовлена ПД. Виходячи з частотних властивостей та умов експлуатації, в даному випадку раціонально прийняти склотекстоліт СФ2-35-1,5 ГОСТ 10316-62.

   2.1.4 Визначаємо габаритні розміри всіх елементів, які будуть знаходитись на ПД, і розраховуємо площі, які вони будуть займати. Результати розрахунків зведені в таблицю 2.1. Установчі площі та варіанти встановлення за ОСТ 4.040.080-81. 
 
 
 
 

Таблиця 2.1 Габаритно-встановочні  розміри елементів

 
 

   2.1.5 Після визначення установчих площ всіх груп елементів знайдемо загальну площу, що займає ться всіма елементами, за формулою

   

   

                                            S_заг.ел.= S_{елементів}                                 (2.1) 

   S_заг.ел.= 2535,5    мм²

    2.1.6 Наступним етапом розраховуємо площу плати за

     формулою:

                                    S_пл.=S_заг.ел./К_s ,                                (2.2)

   де  К_s- коефіцієнт заповнення площі плати, К_s= 0,5... 0,55;

   S_пл.=2535,5/0,5 = 5071,12  мм²

           Всі лінійні розміри  елементів плати  та габаритні розміри  повинні відповідати   ГОСТ 25346-82 та ГОСТ 25347-82. Вибираємо плату  розміром 80 х70 мм. Тоді розмір вибраної плати

   S_плв=80×70=5600 мм²

   2.1.7 В залежності від габаритних розмірів ПД і допустимих відхилень лінійних розмірів елементів друкованого малюнку призначаємо платі перший клас точності за таблицею 12.6 [4].

   2.1.8 За густиною ПД поділяють на три класи. В даному випадку вибираємо третій клас точності з великою густиною друкованого малюнку

   2.1.9 Розводка ПД проводиться відповідно до схеми електричної принципової. При розробці друкованого малюнку повинна виконуватися умова:   

   S_пл ≤ S_плв                                              (2.3)

   5071 < 5600 

     Умову виконано.  
 

   Виходячи  із коштовності і дозволяючої можливості методу, плату виготовити хімічним способом, методом сіткографії

   Із  стандартного ряду таблиці 12.10 [4] приймаємо діаметр  отворів під деталі провідника 0,8 мм при  діаметрі виводів 0,7 мм, діаметр отворів 1,2 мм при  діаметрі виводів 1 мм.                            

   Допуски відхилень отворів  друкованих провідників  та контактних площадок від координатної сітки ±0,1 мм.