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.

   2.1.10 Беручи до уваги, що густина струму в друкованому провіднику не більша ніж 0,1 А/мм², визначаємо ширину друкованих провідників з таблиці 12.5 [4]. Приймаємо мінімальну ширину провідника 0,5 мм при товщині фольги 35 мкм.  
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

    

      
 
 
 
 
 
 
 
 

   

   

   

   2.2 Електричний розрахунок вузла схеми 

   2.2.1 Дані для розрахунку ланцюга індикації (світлодіоді HL1 та резистора R ) напруга живлення Uж = 5 B.

   

   Малюнок 2.1 Схема ланцюга індикації

   2.2.2 Вибираємо світлодіод

   Приймаємо світлодіод АЛ307А з наступними параметрами (7):

         - Прямий  струм Iпр = 10mA;

         - Пряма напруга Uпр = 4 В.

   2.2.3 Визначаємо опір резистора R

                               R =( Uж-Uпр) / Iпр                                            (2.4)

                                R =(5-4) / (2,5x10 )= 400 Ом 

   Приймаємо R = 510 Ом.

   2.2.4 Визначаємо потужність  резистора R

                     P = ( Uж-Uпр)x Iпp                                            (2.5)

                     P =(5-4) x (2,5x10 )= 2,5x10 Bт                                         

   Приймаємо Р = 0,125 Вт.

   В результаті проведеного  розрахунку визначені наступні елементи схeми :

   - світлодіод – АЛ307А аА0.336.409 ТУ;

   - резистор R – МЛТ-0,125-510Ом±10% ГОСТ 7113-75 
 
 

   

   

   2.3 Розрахунок показників  надійності  

   2.3.1 Завдання для розрахунку: зробити розрахунок  і дати оцінку  надійності    конструкції.

   2.3.2 Початкові дані  для розрахунку:

   а) схема електрична принципова;

   б) перелік елементів.

   2.3.3 Умови розрахунку: кліматичні - нормальні.

   2.3.4 Розрахунок:

   Заповнюємо  таблицю даних  для розрахунку надійності

   Таблиця 2.2 Початкові дані

 
 
         

         

         Продовження таблиці 2.2

 

   2.3.4.1 Визначаємо значення інтенсивності відмов радіоелементів з таблиці 2 [3] і записуємо в таблицю 2.2.

   2.3.4.2 Визначаємо наближені коефіцієнти навантаження для кожної групи радіоелементів і порівнюємо їх з рекомендованими коефіцієнтами навантаження, які наведені в таблиці 4 [3].

   2.3.4.3 За значенням коефіцієнта навантаження з таблиці 3 [3] вибираємо поправочний коефіцієнт   " ", який заносимо в таблицю 2.2.

   2.3.4.4 За відомим з переліку елементів типу радіоелементів з таблиці 2 [3] вибираємо інтенсивність відмов для кожної групи радіоелементів і записуємо їх у таблицю 2.2

   2.3.4.5 Визначаємо сумарну інтенсивність відмов за формулою

                                    ,                          (2.6)

     де  - сумарна інтенсивність відмов, 1/год;

   n - кількість елементів;

    - інтенсивність  відмов;

    - поправочний  коефіцієнт;

   

18,791×10^-6   1/год

   2.3.4.6 Визначаємо середню наробку на відмову за формулою:

                                          

                                                         T=1/                                         (2.7)

   Т=1/18,791×10^-6=52712   год. 

   2.3.4.7 Визначаємо ймовірність безвідмовної роботи за формулою: 

                                        Р(t)=                                      (2.8) 
 

   Р(1000)=e ^{–18,791×1000×}

=0,98 

   Р(5000)=e ^{–18,791×5000×}

=0,90 
 

   Р(10000)=e ^{–18,791×10000×}

=0,83 

   Р(15000)=e ^{–18,791×15000×}

=0,75 
 

   Р(20000)=e ^{–18,791×20000×}

=0,68 

   Р(25000)=e ^{–18,791×25000×}

=0,62 

   Р(30000)=e ^{–18,791×30000×}

=0,56 

   2.3.4.8 Будуємо графік  залежності Р(t)=

   

     
 
 

    

    

   Малюнок 2.1 Графік залежності ймовірності безвідмовної   роботи від часу

     В результаті розрахунку  надійності визначено,  що напрацювання  на відмову складає  10200 годин при рівні ймовірності безвідмовної роботи  0,8. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

   3 Конструкторський  розділ

 

   3.1  Опис і обґрунтування  конструкції 

     Головні складові  частини металошукача – це основа (позиція 4) і кришка (позиція 3). Плата основна(позиція 1) кріпиться на стійки основи за допомогою чотирьох гвинтів 3,5×10 ГОСТ 10621-80 (позиція 6). Плата додаткова (позиція 2) кріпиться паралельно до передньої панелі двома гвинтами 3,5×10 ГОСТ 10621-80 (позиція 6).

   В основі вирізані прорізи, через які виводять всі елементи управління і індикації на передню панель:

• тумблер Ввімк. (позиція 8);
• світлодіоди індикації глибини (позиція 28);
• кнопки налаштувань (позиція 2).

        На задній панелі  приладу розташований  відсік для батареї,  який закривається  кришкою (позиція  4 ). Також на задній панелі розташований роз’єм (позиція 10 )  для підключення котушки.

        Основа та кришка виготовлені з ударостійкого полістиролу          ПСМ-151 “С” ГОСТ 20282-86  методом лиття під тиском.

        Друкована плата  виготовлена з  склотекстоліту фольгованого  СФ2-35-1,5 ГОСТ 10316-72 комбінованим способом методом сіткографії.

        Розглянувши конструкцію пристрою можна зробити висновок, що вона являється достатньо простою, крім того забезпечується легкий доступ до елементів конструкції, що робить її ремонтопридатною. 
 
 
 

    

      

3.2 Обґрунтування вибору  матеріалів та 

покриттів

   Основним  конструктивним матеріалом пристрою є полістирол ПСМ-151 ²С² сорт 1 ГОСТ 20282-86. Деталі конструкції виготовлені методом лиття. Матеріал володіє необхідною міцністю та твердістю. В наш час формований полістирол достатньо дешевий, також він дозволяє використовувати прогресивні методи формування, такі як лиття, екструзія, легко обробляється ріжучими інструментами, добре склеюється органічними клеями і розчинниками. Виготовлені з нього деталі мають невелику вагу та не потребують додаткового покриття фарбою або іншими захисними речовинами.

   Для виготовлення основи та кришки обираємо полістирол       ПСМ-151 ²С² сорт 1 ГОСТ 20282-86. Матеріал володіє необхідною міцністю та твердістю, легко обробляється.

   Для виготовлення друкованої плати використовується склотекстоліт СФ2-35-1,5 ГОСТ 10316-72. Цей матеріал добре обробляється, піддається штампуванню, теплостійкий, що робить плату ремонтопридатною, дешевий.   Для пайки використовую припой ПОС-61 ГОСТ 29931-76. Можливе використання і іншого припою з  температурою плавлення не вищою 230°С.