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.

С каждым днём увеличиваются объёмы устаревшей, неисправной и ненужной радиоаппаратуры, начинённой такими радиодеталями. Переработка этих аппаратов становится очень востребованной на сегодняшний день, особенно при истощении и падении объёма добычи драгоценных металлов на месторождениях.

Первичную переработку электронного лома выполняют несколькими технологическими способами: ручная разборка и механизированная, на специализированных линиях. При ручной разборке извлекаются разъёмы, радиодетали и контактные устройства из печатных плат. Потом всё это отправляется на специализированные предприятия по переработке этого лома, по различным технологическим процессам.

 При механизированном  способе, весь электронный лом  дробится, измельчается и проходит  через ступенчатые этапы сортировки с помощью воздушной сепарации, магнитного отбора, в электростатическом поле и других видов сепарирования. Разработанная современная технология позволяет возвращать из тонны такого металлолома: золота до 0,114%, серебра до 0,414%, платины до 0,012%, палладия до 0,062%, меди Cu до 10,6%.

Серебро применяли для уменьшения сопротивления на контактах реле и микропереключателей, поэтому в этих деталях большое количество серебра, иногда до 3 грамм. В домашних условиях снять серебро с контактов можно плоскогубцами или кусачками. При необходимости, это серебро можно сплавит в слиток в тигле, на газовой плите.

Техническая энциклопедия приводит рецепт выделения серебра с помощью реактивов: необходимо растворить серебросодержащие изделия в азотной кислоте и добавить соляную кислоту – выпадает в осадок в виде хлопьев, хлористое серебро; эти хлопья необходимо промыть и восстановить через взаимодействие с аккумуляторной кислотой. Реактивы, применяемые для извлечения серебра свободно можно приобрести в магазинах, торгующими химическими реактивами.

Полученное серебро можно сдать специализированным пунктам, которые осуществляют приём технического серебра. При отсутствии возможности выделить в домашних условиях серебро или другие драгметаллы, можно отнести радиоэлементы содержащие драгметаллы, в эти же пункты приёма и переработки электронного лома. Скупка радиодеталей на лом позволяет специализированным предприятиям не только восстановить драгоценные металлы из бросового сырья, но и подправить бюджет любого человека, сдающего радиодетали и электронный лом.

 

3 ОХРАНА ТРУДА

 

При проектировании устройства, особенно на этапе монтажа элементов на печатную плату, необходимо соблюдать меры предосторожности. Паяльник должен быть в исправном состоянии, его провод не должен иметь никаких переломов, изгибов, изоляция паяльника должна быть целой. Сам паяльник должен иметь специальную подставку, которая надежно фиксирует его и не позволяет ему случайным образом выпасть. Чтобы случайно не получить термических ожогов, паяльник на подставке размещается на безопасном расстоянии от человека работающего с ним. При пайке элементов используется флюс, который из-за высокой температуры жала паяльника частично испаряется, а для удаления лишнего флюса с печатной платы используется растворитель, а это значит, что помещение, в котором осуществляется монтаж элементов, должно быть оснащено специальными вытяжками, а также должно хорошо и регулярно проветриваться, а сам работающий должен использовать СИЗ.

Устройство должно иметь корпус, который надежно закрывает все токоведущие части, чтобы при его работе пользователь данного устройства не получил электрических травм. Общий ток потребляемый схемой является не большим, поэтому устройство в плане электробезопасности не представляет никакой угрозы.

При утилизации устройства, в частности, при демонтаже элементов, необходимо соблюдать те же правила предосторожности, что и при проектировании устройства. В данном случае опасность представляет паяльное оборудование, правила работы с которым уже были рассмотрены.

 

4 ОХРАНА ОКРУЖАЮЩЕЙ СРЕДЫ

 

Отрицательное воздействие на окружающую среду оказывают отработанные электронно-цифровые устройства, которые состоят из, различного рода, элементов и металлов. Если просто выкинуть устройство на свалку, то его элементы и составляющие со временем начнут разлагаться и вредные вещества могут попасть в почву, в воду, в воздух, а через них – в организм людей.

При проектировании устройства использовались вредные химические вещества, такие как флюс и растворитель. Очень важным является выбор менее вредного флюса и растворителя, так как после работы помещение будет проветриваться и все пары и испарения попадут в воздух. Таким образом можно снизить негативное воздействие на окружающую среду вредных веществ.

При непосредственной работе устройство не представляет никакой угрозы для окружающей среды, так как оно практически без вредно, а вредное воздействие оказываемое металлоискателем очень мало. К таким воздействиям можно отнести электромагнитное излучение и радиоволны.

При утилизации устройства ни в коем случае нельзя утилизировать элементы как бытовые отходы, так как все они в определенных условиях могут стать химически активными. Также стоит утилизировать неизрасходованные ненужные материалы, потому что они в первую очередь представляют угрозу окружающей среды.