ChSTU repository
ChSTU repository preserves and enables easy and open access to all types of digital content including text, images, moving images, mpegs and data sets
Learn More
Please use this identifier to cite or link to this item:
https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6544| Title: | Мікропроцесорний пристрій пошуку металу |
| Authors: | Лукашенко, Валентина Максимівна Макарицький, Олександр Вікторович |
| Issue Date: | Jun-2022 |
| Abstract: | Метою кваліфікаційної роботи бакалавра є проектування конструктивного рішення реалізації комплексу металошукача для детектування металевих об'єктів на довільній території. Об’єктом дослідження є металошукач в поєднанні з сучасним алгоритмом обробки отриманого сигналу від пошукового об’єкту. Предмет дослідження – мікропроцесор пристрою пошуку металу. У ході кваліфікаційної роботи проведено аналіз предметної області. Результатом аналізу став висновок про спосіб детектування металевих об'єктів, здатного забезпечити більш високий рівень чутливості, ніж існуючі. Для перевірки запропонованого способу детектування металу виконано проектування моделі металодетектора. З огляду аналогічних проектів на ринку металошукачів визначено напрямок дослідження для реалізації новизни та задуму в цілому на етапі проектування. Металошукач поєднує пошукові котушки, які не тільки реалізують його з повноцінним набором функцій і можливостей, здатний забезпечити оптимальні умови пошуку будь-чого, але і зменшує витрати на купівлю пошукового обладнання. При проведенні аналізу технологій детектування в сучасних металошукачах найбільш практичними є застосування технології VLF та VFLEX. Технологія VLF найпоширеніша та випробувана часом технологія, яка покладена в основу роботи більшості детекторів металу. Технологія VFLEX доповнює VLF технологію та забезпечує підвищену ефективність детектування за допомогою ідеальної передачі синусоїди, завдяки внутрішньому генератору в пошуковій котушці на частотах передачі від блоку керування, що обираються пошуковою котушкою. При порівнянні характеристик різних типів котушок визначено, що від параметрів пошукового датчика залежить глибина пошуку та площа сканованого ґрунту. На основі результатів моделювання сформовано вимоги до випробувальної моделі, розроблена структурна та електричні функціональні схеми. Випробування моделі показали адекватність застосованих технічних рішень та підтвердили результати моделювання. Модель має високий потенціал до розширення та додавання нових функцій. Для реалізації інтерфейсу передачі даних між датчиком та моделлю запропоновано технологію Bluetooth. Модулі Bluetooth забезпечують надійну передачу інформації в умовах високого рівня електромагнітного випромінювання різної природи, мають низьку ціну, невисоке енергоспоживання та прості у використанні. У ході конструкторського дослідження проведеного у роботі, запропоновано реалізацію конструкції металошукача. Результати роботи відповідають технічному завданню. Однак, надалі необхідно провести дослідження впливу різних металів на вихідний сигнал та точніше провести аналіз коректності роботи. |
| URI: | https://er.chdtu.edu.ua/handle/ChSTU/6544 |
| Appears in Collections: | 123 Комп’ютерна інженерія (Спеціалізовані комп’ютерні системи) |
Files in This Item:
| File | Description | Size | Format | |
|---|---|---|---|---|
| Б_123_2022_Макарицький+.pdf Restricted Access | 2.98 MB | Adobe PDF | View/Open Request a copy |
Items in DSpace are protected by copyright, with all rights reserved, unless otherwise indicated.
Extracted text
МІНІСТЕРСТВО ОСВІТИ І НАУКИ УКРАЇНИ ЧЕРКАСЬКИЙ ДЕРЖАВНИЙ ТЕХНОЛОГІЧНИЙ УНІВЕРСИТЕТ ФАКУЛЬТЕТ ІНФОРМАЦІЙНИХ ТЕХНОЛОГІЙ І СИСТЕМ КАФЕДРА РОБОТОТЕХНІКИ ТА СПЕЦІАЛІЗОВАНИХ КОМП’ЮТЕРНИХ СИСТЕМ Пояснювальна записка до кваліфікаційної роботи освітнього ступеня «бакалавр» на тему: МІКРОПРОЦЕСОРНИЙ ПРИСТРІЙ ПОШУКУ МЕТАЛУ Виконав: студент 4 курсу, групи СКС-187 спеціальності 123 Комп’ютерна інженерія Макарицький О.В. (прізвище та ініціали) Керівник Лукашенко В.М. (прізвище та ініціали) Рецензент (прізвище та ініціали) Черкаси 2022 року ЗМІСТ СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ .......................................... 3 ВСТУП .......................................................................................................................... 4 1 АНАЛІЗ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ ......................................................................... 6 1.1 Основні класи методів для визначення металевих об'єктів .......................... 6 1.2 Опис концепту пристрою пошуку метала ..................................................... 11 1.3 Огляд існуючих аналогів на ринку ................................................................ 16 2 МОДЕЛЬ МЕТАЛОШУКАЧА З ВИКОРИСТАННЯМ ТЕХНОЛОГІЙ ДЕТЕКТУВАННЯ ...................................................................................................... 21 2.1 Технології детектування в сучасних пристороях пошуку металу .............. 21 2.2 Опис способу детектування металу в проектованому пристрої ................. 26 2.3 Моделювання роботи способу детектування ................................................ 32 2.4 Порівняльна характеристика різних типів котушок..................................... 37 2.5 Реалізація інтерфейсу передачі даних в пристрої ........................................ 42 3 ПРОЕКТУВАННЯ ПРОТОТИПУ ПРИСТРОЮ ДЕТЕКТУВАННЯ МЕТАЛУ ...................................................................................................................................... 46 3.1 Розробка функціональної та принципової схем пристрою ......................... 46 3.2 Обґрунтування вибору складових частин пристрою ................................... 48 3.3 Проектування друкованої плати пристрою ................................................... 53 ВИСНОВКИ ............................................................................................................... 56 СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ .................................................................. 58 ЧДТУ.221833.001 ПЗ Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Розроб. Макарицький Літ. Лист. Листів Перевір. Лукашенко Мікропроцесорний пристрій 2 60 пошуку металу. Реценз. Пояснювальна записка Н. Контр. ЧДТУ, СКС-187 Затверд. Лукашенко СПИСОК УМОВНИХ ПОЗНАЧЕНЬ ТА СКОРОЧЕНЬ AVR – родина мікроконтролерів фірми Atmel COB – chip-on-board CTS – clear to send DAC – digital to analog converter EEPROM – electrically erasable programmable read-only memory Li-Po – lithium polymer MCU – microcontroller unit MOSFET – metal-oxide-semiconductor field-effect transistor RISC – reduced instruction set computing RTS – request to send VLF – very low frequency Vref – voltage reference АЛП – арифметико-логічний пристрій АЦП – аналого-цифровий перетворювач БД – база даних ДП – друкована плата ЕБМ – електронний блок металошукача ОЗП – оперативно-запам’ятовуючий пристрій ОП – операційний підсилювач РЕА – радіоелектронна апаратура ШІМ – широтно-імпульсна модуляція Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 3 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата ВСТУП Актуальність дослідження. З підвищенням технічного розвитку суспільства зростає кількість необхідної сировини, що застосовується у сучасному виробництві, у тому числі, зростають обсяги видобутку руд [1-3]. Збільшення видобутку руд у свою чергу підвищує вимогу до технічного забезпечення. З розвитком радіотехніки та пізнання її основ людство вирішує проблемні сфери життя, де необхідно використовувати засоби РЕА, що поліпшують якість життя та дають додаткову змогу для вирішення конкретних проблем. Беручи до уваги сьогоднішні події в Україні, можна зауважити, що великі території полів та жилих районів містять багато металевих предметів під шаром ґрунту, котрі загрожують життю людей. За даними ООН побоюється зростання числа жертв в Україні через велику площу замінованих територій, високу концентрацію боєприпасів і саморобних вибухових пристроїв. Можна наголосити, що загальна площа районів, засмічених вибухонебезпечними об'єктами, становить, щонайменше, 30 тис. га. В наш час є досить багато зразків металошукачів, які в досить гарному виконанні, що дають змогу для людей робити пошуки підозрілих металевих предметів під шаром ґрунту. Але не всі бажаючі зайнятися пошуками чи перевіркою місцевості мають радіотехнічну освіту, що дозволяє розробити або повторити готову конструкцію пошукового апарату, а вітчизняна промисловість подібної апаратури, на жаль, не випускає, а зразки зарубіжних виробників мають досить велику ціну. Створенню та дослідженню способів визначення метало-фрагментів присвячені роботи спеціалістів провідних вітчизняних та зарубіжних підприємств, у тому числі Steinert, Garrett. Дослідженням означених проблем присвячені роботи Челпанова Г. В., Бронікова А. А., Свірського Ю. К., Реутова Ю. Я. та інших фахівців. Таким чином, актуальним є, розробка моделі детектування металевих предметів з підвищеною точністю та селективністю, а також комплекс для практичного впровадження на підприємства. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 4 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Метою роботи є проектування конструктивного рішення реалізації комплексу металошукача для детектування металевих об'єктів на довільній території. Об’єктом дослідження являється металошукач в поєднанні з сучасним алгоритмом обробки отриманого сигналу від пошукового об’єкту. Предмет дослідження – мікропроцесорі пристрої пошуку металу. Для досягнення поставлених цілей роботи вирішуються наступні задачі: − аналіз особливостей і дослідження існуючих методів обробки сигналів від пошукового об’єкту; − дослідження перспективних методів та апаратного детектування металооб'єктів; − створення способу пошуку металевих об'єктів; − проектування архітектури та функціонального складу комплексу металошукача. Методи дослідження: аналіз технологій детектування в сучасних металошукачах; співставлення можливих варіантів передачі даних між пошуковою котушкою та пристроєм; порівняння характеристик різних типів котушок; теоретична конструкторська реалізація. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 5 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 1 АНАЛІЗ ПРЕДМЕТНОЇ ОБЛАСТІ 1.1 Основні класи методів для визначення металевих об'єктів Виділено ряд класів, а саме: засновані на використанні аналізу оптичної інформації про об'єкт дослідження, засновані на використані аналізу спектроскопії та засновані на використанні аналізу явищ, які можна охарактеризувати як «електрофізичні» (наприклад, аналіз коливального LC контуру або аналіз вихрових струмів, що виникають в об'єктах сканування). Методи, що ґрунтуються на аналізі оптичної інформації, є найпростішими і виходять найменш дорогими у реалізації. Ці методи мають на увазі детектування металевих об'єктів на основі зовнішнього вигляду об'єктів у сканованій області. Наприклад, за допомогою оптичних датчиків. Крім низької точності ці методи мають високі вимоги до характеристик аналізованим матеріалам, що сильно звужує область їх застосування або збільшує складність застосування. Методи з використанням спектроскопії навпаки мають точність недосяжною для інших методів, однак, для застосування таких методів необхідно високотехнологічне обладнання, яке має високу вартість і вимогам до середовища, в якому вони будуть експлуатуватися. Наприклад, до таких методів належить «рентгенофлуоресцентний аналіз» [6]. До того ж, застосування спектроаналітичних методів призводить до підвищення вимог до техніки безпеки через фізичну основу таких методів (використання різних випромінювань, у разі застосування рентгенофлуоресцентного аналізу – це рентгенівське випромінювання). Тому, такі методи, як спектроскопія використовують лише у випадках, коли потрібно високий рівень точності визначення складу аналізованих об'єктів для простого виявлення металевих об'єктів. До класу «електрофізичних» методів відносять методи, що аналізують електромагнітне поле – методи, що аналізують коливальні контури LC або RC контури [7-9]. Такі методи володіють найкращим співвідношенням застосування, точності та складності реалізації для використання у детектуванні металевих об'єктів, що робить їх широко використовуваними в детектуванні. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 6 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата На підставі вищевикладеного, методи, засновані на «електрофізичних» явищах – визнані найкращими для вирішення поставленої задачі. Пристрої, що реалізовані на основі даних методів забезпечують необхідний рівень точності та здатні працювати навіть у найважчих умовах із збереженням невисокої ціни. Проте, для повноцінного аналізу застосування потрібно більш детальне розглянути дані методи із поділом на види класу. Радіолокаційні методи Радіолокаційні методи, засновані на відображенні електромагнітних хвиль високої частоти [7, 9]. Сильною стороною є можливість оцінки дальності детектованого об'єкту за аналізом часу затримки сигналу, оцінки його розміру за допомогою аналізу амплітуди сигналу та оцінки зовнішнього матеріалу об'єкта за оцінкою фазового зсуву Проте такі методи вимагають високого рівня фільтрації та придушення, реалізації складних алгоритмів обчислень, а також нездатні визначати цільнометалеві об'єкти від об'єктів, вкритих металом. У зв'язку з цим, металодетектори засновані на такому вигляді методів на даний момент не отримали високої поширеності, але в майбутньому очікується збільшення кількості таких пристроїв за рахунок технічного прогресу та можливості більш точно вказати напрямок знайденого об'єкту користувачеві. Методи на основі вимірювання параметрів коливального контуру LC Методи цього виду ґрунтуються на вимірі характеристик LC-контуру [8]. Аналізованими параметрами є частота коливального контуру та/або його добротність (амплітуда). Різні способи можуть використовувати як один з параметрів, так і відразу обидва параметри LC-контуру. До переваг даних методів можна віднести їхню відносну простоту реалізації. Однак, такі металошукачі відрізняються малою точністю та дальністю роботи. Так як дані методи базуються на застосуванні LC-контуру, такі металодетектори схильні до впливу досліджуваного середовища, наприклад, існує сильна залежність від вологості навколишнього середовища або температури. Тому такі пристрої оснащуються налаштованим механізмом і вимагають періодичного калібрування під поточні параметри довкілля. З цих причин найбільше застосування такі Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 7 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата металодетектори знаходять у компактних датчиках або аматорських металошукачах. Методи на основі збудження вихрових струмів Методи, що відносяться до цього підвиду, мають на увазі генерацію змінного електромагнітного поля в області сканування, яке збуджує в металах кільцеві мікроструми (струми Фуко або вихрові струми). У свою чергу, струми Фуко, що протікають в аналізованих об'єктах, викликають вторинне згасання електромагнітного поля, яке і аналізується у способах, заснованих на вихрострумовому аналізі. [10-12] Цей підвид має велику кількість способів реалізації. Більшість способів мають на увазі застосування окремих котушок для генерації первинного електромагнітного поля та для прийому вторинного електромагнітного поля, яке породжується струмами Фуко. Однак, існують способи, які мають на увазі використання однієї котушки як для генерації, так і прийому сигналу. Також, способи можна розділити по способу генерації електромагнітного поля: імпульсна генерація, синусоїдальна або пилкоподібна генерація. Наявність металевих об'єктів та їх обсяг у таких методах вимірюється за допомогою аналізу амплітуди вторинного електромагнітного поля. Так само відомо, що швидкість згасання електромагнітного поля залежить від індуктивності об'єкта та його провідності [10, 12]. Вторинне поле збігається за частотою коливань з первинним, генерованим, електромагнітним полем, однак відрізняється по фазі в залежності від матеріалу досліджуваного об'єкта. Таким чином, на основі дослідження фазового зсуву вторинного електромагнітного поля щодо первинного, можна проводити висновок про матеріал досліджуваного об'єкта. Методи, що використовують імпульсну генерацію первинного електромагнітного поля дозволяють, до вищеописаного, аналізувати тривалість згасання вторинного електромагнітного поля, що так само дозволяє проводити дискримінацію об'єктів. Різні методи мають на увазі аналіз одного з вищеописаних параметрів, або відразу кількох для підвищення точності виявлення, або точності дискримінації. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 8 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Комплексні методи хоча і є більш складнішими, ніж їхні прості аналоги, однак, покращують характеристики металодетектора. До недоліків цих способів можна віднести складність їх реалізації, так як необхідно вимірювати слабкі вторинні електромагнітні поля, що вимагає високоякісного посилення вхідного сигналу, але й не допустити впливу первинного електромагнітного поля на приймаючу котушку Також, фазовий зсув може відрізнятися для предметів різних форм, що складаються з одного матеріалу, що дещо звужує можливості дискримінації об'єктів. Крім того, можлива ситуація, коли безліч металевих об'єктів в зоні сканування можуть призвести до неправильної дискримінації сигналу, так як результуюче електромагнітне поле буде сукупністю малих вторинних полів кожного об'єкта. Основні назви методів цього класу: «вихрострумовий спосіб», «імпульсний спосіб», «передача-прийом спосіб», «індукційний спосіб». В іноземній термінології «Very Low Frequency» (VLF), «Induction Balance» (IB), «Pulse Induction» (РI) [13]. На основі результатів аналізу існуючих методів та виявлення металевих об'єктів прийнято рішення щодо розробки перспективного методу для досягнення необхідного рівня точності та можливості виявлення металевих об'єктів у високомінералізованому середовищі. Пропонований метод заснований на генерації електромагнітних полів в сканованій області, фільтрації та подальшому аналізі результуючого електромагнітного поля. Для генерації електромагнітного поля та отримання вихідного сигналу застосовується дві індуктивні котушки. Одна з котушок передає (генерує первинне електромагнітне поле), друга котушка є приймаючою, тобто виробляє корисний сигнал. Висновок про наявність металевих об'єктів у області сканування пропонується виконувати на основі аналізу корисного сигналу з приймаючої котушки. Передбачається, що корисний сигнал залежить від властивостей об'єктів в області сканування через те, що металеві об'єкти в зоні сканування генеруватимуть вторинне електромагнітне поле від виникнення струмів Фуко, а значить, вносити Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 9 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата зміни до кінцевого електромагнітного поля. Також, металеві об'єкти будуть впливати на параметри індуктивних котушок, а значить впливати як на генероване первинне поле, так і на виникнення корисного сигналу на котушці, що приймає. На генеруючу котушку пропонується подавати прямокутний періодичний сигнал, як найбільш схильний до впливу параметрів індуктивних котушок та сканованої області на форму сигналу. Відмінність запропонованого методу від тих, що існують – не потрібне віднімання первинного сигналу з корисного. Первинний сигнал побічно залежить від параметрів одержаної індукційно пов'язаної системи, яка змінюються під впливом об'єктів сканування. На відміну від існуючих методів, для генерації первинного електромагнітного поля пропонується використовувати прямокутний періодичний сигнал. Проте, метод можна віднести до підвиду «вихрострумових» методів. Методи, що входять до «оптичного» класу, не використовуються на промислових підприємствах для пошуку металевих об'єктів внаслідок наступних причин: − потрібна попередня обробка об'єктів сканування (очищення від бруду та пилу), що тягне за собою надмірне ускладнення попередньої обробки; − дані методи не здатні проводити аналіз об'єктів, що знаходяться під іншими об'єктами, внаслідок чого, малі металеві об'єкти будуть часто пропущені; − «оптичний» аналіз вкрай чутливий до навколишнього середовища і тому вимагає спеціального освітлення, що важко здійснити в умовах виробництва. Методи, засновані на спектроскопії, визнані надто дорогими та технічно складними в реалізації завдання металодетектування. Методи, що базуються на аналізі відбитих електромагнітних хвиль визнані такими, що не підходять, внаслідок неможливості відмінності металевого об'єкта від об'єкта, покритого металом. Вид методів, заснованих на аналізі коливального LC-контуру неефективний у зв'язку з малою точністю та сильною залежністю від довкілля. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 10 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Таблиця 1.1 – Види методів та їх характеристики Вид методу Сильні сторони Слабкі сторони Низька точність Мінімальна вартість Необхідність попередньої Оптичні методи Простота обладнання обробки об’єктів дослідження Висока вартість та вимоги до довкілля Методи з Висока точність Підвищені вимоги до використанням Можливість розбору техніки безпеки спектроскопії складу об'єкта Висока технічна складність обладнання Існують методи з Методи засновані на Високим рівнем точності Відсутність «сильних» «електрофізичних» Різноманітність підвидів сторін представленнях методів У свою чергу вид методів, заснованих на аналізі вторинного електромагнітного поля виникає внаслідок вихрових струмів в об'єктах сканування, визнаний придатним для застосування у зазначеній предметній області. Проте, існуючі методи вимагають враховувати вплив первинного електромагнітного поля на корисний сигнал, що ускладнює схему роботи та її алгоритм, а також зменшує можливу точність роботи. Отже, актуальним є розробка нового способу, який дозволить досягти більш високої точності детектування та уникнути необхідності віднімання перешкод від первинного електромагнітного поля. Аналіз існуючих методів виявлення металевих об'єктів привів до наступної оцінки існуючих методів (табл. 1.1). 1.2 Опис концепту пристрою пошуку метала На теперішній день металошукачі – це електронні індукційні прилади, які позволяють виявляти металеві предмети в слабо провідному або нейтральному, тобто воді, ґрунті, стінах, в деревині, в багажі та під одягом, в організмі людини, в харчових продуктах і так далі. Неймовірний розвиток зробив дані прилади компактними надійними і наділені високим «інтелектом». Cфера застосування Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 11 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата металошукачів значно розширилася і окрім військових і професійних застосувань, почала охоплювати також сферу розваг, до яких відносяться «пошук скарбів» в різному змісті даного слова. Металошукачі вже дуже давно широко поширені та обговорюються на різноманітних форумах. При погляді на дизайн таких приладів не покидає відчуття звичайних «іграшок», багато користувачів жаліються на хисткість конструкції. Однак, за заявленими властивостями вони відпрацьовують вкладені в них гроші. Серед присутніх на ринку типів моделей, можна виділити декілька найбільш популярних [5]. VLF-детектори – метод, за яким працюють прилади позволяє побудувати високочутливі прилади з дуже хорошим розрізненням металів за рахунок аналізу фазових властивостей. Схемотехніка приладів складна, котушки потребують прецизійного балансування. За даним методом зараз проектують більшість серійних приладів, у тому числі і комп'ютерних. Дискримінація об'єктів і налаштування від грунту в приладах робиться відносно просто за допомогою фазозсувних ланцюгів. Принцип дії VLF базується на балансі між прийомною та передавальною котушкою, на низькій частоті. Низькі частоти дозволяють отримати чутливість до невеликих об`єктів і нейтралізувати вплив ґрунту. Для металошукачів за принципом балансу індукції, пред’являються специфічні вимоги до якості виготовлення пошукового датчика. Котушка складається з приймальної та передавальної котушок, які можуть мати кільце або DD конструкцію. Такі металошукачі мають найбільшу популярність, але вони тяжкі у схематичному виконанні для встановлення на виробництво та налаштування. Детектори на базі зриву резонансу OR-off resonance (зрив резонансу). Аналізованим параметром в таких детекторах є амплітуда сигналу на котушці коливального контуру, що налаштовано близько до резонансу з сигналом, який подається від генератора на нього. Поява металу в полі котушки викликає або відхід від нього або досягнення резонансу, залежно від типу металу, що призводить до зменшення або збільшення амплітуди коливань на котушці. Даний метод, також як Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 12 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата і BFO, розроблявся аматорами, але відомостей про його застосовування в серійних приладах не виявлено. У міру ускладнення конструкції приладу та збільшення вартості покращується здатність приладу розрізнювати металеві предмети без викопування. При вартості більшій у декілька разів – чутливість детекторів збільшується трохи (найчастіше складає 20-45 см для монет і близько 1-2.0 м для великих об’єктів). Проте навіть складні прилади, які оснащені процесорами, можуть дати приблизне ув'язнення про метал та глибину. Детектори на основі імпульсної індукції (PI-pulse induction; імпульсна індукція). У приладах даного виду котушка пошукової голівки не входить до коливального контуру. У неї, від запускаючого генератора подається імпульсний сигнал. Аналізований параметр – час закінчення перехідного процесу (положення заднього фронту імпульсу напруги). До конструкції котушки не пред'являється ніяких особливих вимог. Відмінними властивостями даного методу є: низька частота дотримання імпульсів (5-600 Гц), нечутливість до ґрунту, невелике споживання енергії. PI-метод дуже часто використовується в підводних приладах для послаблення впливу води. Пошукова котушка даного приладу з імпульсною індукцією дуже проста у порівнянні з іншими видами приладів та не потребує складних калібрувань та налаштувань. Котушка застосовується як для приймання/передачі, так і як передавальна схема, яка складається з простого електронного ключа, що підключає живлення на батарею на короткий термін. Опір котушки є незначним, тому по котушці може протікати струм в кілька ампер. Хоча сила струму велика, але час протікання є дуже коротким. Електронний ключ подає імпульси струму в котушку, потім обриває його потім знову включається для подачі наступного імпульсу. Скважність, тобто відношення часу за який струм ввімкнутий, до часу коли струм вимкнутий ,складає зазвичай близько 4%. Це зберігає передатчик та котушку від перегріву та зменшує розряд батареї. Швидкість повторення імпульсів (частота передатчика) типового металодетектора з імпульсною індикацією складає приблизно 100 Гц. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 13 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Різні моделі МД використовують частоти від 22 Гц до декількох кілогерц. Чим нижча частота передачі, тим більша випромінювана потужність. На більш низьких частотах досягається більша глибина та чутливість виявлення предметів вироблених зі срібла, але при цьому падає чутливість виявлення до нікелю та сплавам із золота. Такі прилади мають уповільнену реакцію, тому потребують дуже повільного переміщення рамки. Більш високі частоти підвищують чутливість до нікелю та сплавам із золота. Однак менш чутливі до срібла. ВЧ випромінювання не проникає глибоко в землю, як більш низькі частоти, але при цьому котушку можна переміщати більш швидко. Це дозволить перевірити більшу площу за заданий період часу. А також такі прилади більш чутливі до головних пляжних знахідок - виробам із золота. Передатчик діє подібно до котушки запалення автомобіля кожний імпульс струму в передавальній котушці створює магнітне поле. Коли струм обривається, магнітне поле раптово зникає, але в цей час імпульс напруги протилежної полярності та великої амплітуди з`являється на виводах котушки. Такий викид напруги називається протидіючою електрорушійною силою. В автомобілі це саме та висока напруга, яка збуджує іскру запалення в свічках запалення. В нашому випадку металошукача з імпульсною індукцією амплітуда викиду нижче зазвичай від 100 до 130 В в піку. По тривалості імпульс дуже невеликий – до 30 мільйонних долі секунди (30 мікросекунд). Він називається «відбитий імпульс». Блок керування металошукача дуже низької частоти (VLF) в конфігурації з пошуковим датчиком виконаним за технологією індукційного балансу (IB) – це не що інше, як генератор, передавач підсилювача сигналу, приймальний підсилювач сигналу, аналоговий фільтр та процесор. Усі ці компоненти існують всередині смартфонів. Різниця полягає в тому, що більшість металошукачів ви-готовляються за допомогою компонентів, а схеми не змінюються останні десятиліття, але смартфони, щомісяця оновлюються. Більшість металошукачів, що продаються в межах декількох сотень доларів, використовують 8-бітові процесори зі швидкістю обробки менше 20 МГц, тоді як нині будь-який сучасний смартфон в тисячі разів швидший. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 14 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата В технічному плані металошукач для смартфону може бути набагато досконалішим, ніж звичайний металошукач із подібним ціновим діапазоном. Наприклад, на рисунку 1.1 представлення внутрішня материнська плата металошукача, що продається на ринку за три сотні доларів. Порівняно з будь-яким сучасним смартфоном, його потужність обробки, пам’ять та графічна по-тужність в тисячі разів слабша. Рисунок 1.1 – Материнська плата металошукачу Більш швидка потужність обробки дозволяє проводити обчислення частотної області та застосування декількох цифрових фільтрів та алгоритмів виявлення на отриманому сигналі, що призводить до більш надійної продуктивності. Більш швидка потужність обробки дозволяє одночасно проводити багаторазове вимірювання частоти та швидкий розрахунок. Крім того, швидша потужність обробки дозволяє здійснювати лінійне графічне сканування, яке виконує не кожен металошукач на ринку. Додаток для смартфону – головна перевага бездротового металошукачу перед сучасними технологіями. Виробники металошукачів регулярно представляють нові моделі своєї продукції. Купуючи металошукач на ринку, пристрій практично використовується лише обмежений час. Нові функції та кращі характеристики Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 15 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата спонукають будь-якого клієнта придбати нову модель. За допомогою металошукача на основі смартфона користувач платить одноразово за обладнання та отримує постійне оновлення програмного забезпечення в майбутньому. Серед переглянутих принципів роботи аналогів мтелалошукачів можна зупинити свій вибір на імпульсному методі PI (pulse inductive), металошукачі цього типу є спеціалізованими інструментами. Основними перевагами над іншими типами металошукачів є : − не реагують на мінералізований грнут та морську воду (що є перевагою для роботи в зоні припливів); − якісний пошук металевих цілей не в залежності від їх розміру – властивість глибинного пошуку в товщах землі (максимальна глибина пошуку серед аналогів); − великий захват при умові великої площі рамки; − простота використання, легкість підстроювання. Тож в порівнянні з приладами на принципах роботи VLF та детекторів на основі зриву резонансу OR вони показують гарні результати у властивостях налаштування від ґрунту та «пробиття їх на максимальну глибину». Отже, виробники смартфонів використовують передові технології у своїх продуктах. Виробництво товару в надзвичайно великих масштабах дозволяє їм встановити дуже доступну ціну для смартфона. Понад 90% компонентів, необхідних для виготовлення металошукача VLF, вже існує у смартфоні. А саме, компоненти для складання передаючого сигналу, компоненти для прийому вхідного сигналу, буфери сигналів та підсилювачі (внутрішні аналогові схеми смартфона), процесор, пам'ять, цифрові/аналогові фільтри, дисплей. Користувач смартфону вже заплатив приблизно за 70% металошукача. 1.3 Огляд існуючих аналогів на ринку На даний момент на ринку існує невелика кількість аналогічних метало- шукачів, представлені типи металошукачів є тестовими проектами, які знаходиться ще на стадії розробки та тестування. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 16 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Металошукач Air Metal Detector Українсько-Американський проект має 9,5 дюймову пошукову котушку, яка, як повідомляється, здатна виявляти невеликі металеві предмети, розташовані до 12 дюймів під землею або більші предмети на відстань до 1,2 м. При виявленні пошукового об’єкту Air Metal Detector передає сигнал через Bluetooth на смартфон IOS або Android користувача, який встановлений на ручці, зовнішній вигляд проекту зображено на рисунку 1.2. Рисунок 1.2 – Металошукач Air Metal Detector Додаток на телефоні повідомляє користувачів за допомогою звукового тону та відображення на екрані, останній вказує на тип металу та його глибину в ґрунті. Щоб не турбувати сповіщеннями про предмети, які не є доцільними при пошуку, користувачі можуть налаштувати додаток на ігнорування певних металевих предметів або дрібних предметів. Крім того, GPS – координати від-копаних речей можуть бути записані у додатку на карті. Сам пристрій важить 900 грам і має телескопічну штангу. Живлення забезпечується літієвим акумулятором на 900 мАм, який, як повідомляється, достатньо для 10-12 годин використання заряду. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 17 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата На стадії розробки компанія розробник пропонує передзамовлення за 199 доларів, а запланована роздрібна ціна – 450 доларів [1]. Металошукач CSP86 Ще один проект металошукач з підтримкою смартфона, який не використовує Bluetooth, а підключається до пошукової котушки за допомогою роз’єму 3,5 CSP86, та поки що не досяг успіхів. CSP86, з котушкою діаметром 20 см, як запевняє виробник є найбільш компактним професійним металошукачем у світі. За задумом, це вдосконалений одночастотний металошукач за схемою VLF з автоматичним балансуванням, дискримінацією та GPS, зовнішній вигляд металошукача зображено на рисунку 1.3. Рисунок 1.3 – Металошукач CSP86 CSP86 живиться через роз'єм для навушників телефону. У зовнішньому акумуляторі немає потреби. Він розрізняє різні види металів та попередньо запрограмований для точного виявлення золота й срібла [2]. Металошукач XP Deus Металошукачі XP Deus – це бездротова система: пошукова котушка, блок, навушники. Для кріплення котушки використовується легка телескопічна штанга спеціальної форми, зовнішній вигляд металошукача зображено на рисунку 1.4 Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 18 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 1.4 – Металошукач XP Deus В приладі повністю використовується бездротова технологія: сигнали між блоком керування, котушкою і навушниками передаються без шнурів. Це не тільки відповідає сучасним уявленням про технології, а й має суто практичну складову: дроти не зачіпаються, штекери не ламаються, роз'єми не засмічуються. Велику роль відіграє прошивка та розмір пошукового датчику тому що це дозволяє використовувати всі можливості приладу. Котушка Black X35 працює в діапазоні частот від 3,5кГц до 27,7кГц. Всього можливе використання 35 частот (звідси і назва котушки – X35). White HF можуть працювати в діапазоні частот від 13кГц до 81кГц. Всього може бути 21 частота, з чого видно, що White HF можуть краще працювати по дрібним цілям, по золоту, сріблу, по слабо провідним цілям (в силу того, що їм доступні більш високі частоти). Але котушки відрізняються ще й по ємності акумулятора і часу роботи: − котушки X35 мають акумулятор (Li-Po) на 630 мАм і можуть працювати лише 15 годин; − котушки HF мають акумулятор (Li-Po) на 830 мАм і можуть працювати 24 години. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 19 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Це вказані усереднені значення часу роботи. Однак тривалість роботи безпосередньо залежить від частоти, на якій працює металошукач. Так на частоті 80кГц котушка HF буде працювати 28 годин, а на 14кГц – 20 годин. Всі котушки вологонепроникні і поставляються в комплекті з захистом [3]. Сьогодні на ринку представлена досить велика кількість металошукачів, які різняться за типом, функціоналом та вартістю. Однак більшість з них має ідентичну, основну конструкцію і дуже високу ціну, яка вимагає до комплектації приладу. Металошукачі з бездротовим інтерфейсом передачі між смартфоном та датчиком на ринку офіційно не представлені, а знаходяться на етапі розробки і представлені в якості стартап проектів. Наукова новизна розробки полягає в тому, щоб реалізувати конструкцію повноцінного металошукача – смартфон плюс датчик, що в свою чергу призведе до зменшення вартості готового виробу та збільшення основного набору функцій даного металошукача. Аналізуючи конструктивні особливості в поєднанні з сучасними технологіями обробки даних в металошукачах в наступних розділах слід детально порівняти та обґрунтувати вибір схемо технічного рішення для реалізації конструк- торського задуму та розробки стартап проекту. При проектуванні, доцільно використати випробувані конструктивні рішення. Металошукач, прилад який використовується підчас руху, прилад повинен забезпечувати виконання заданих функцій з необхідною ефективністю та надійністю на протязі встановленого часу в заданих умовах експлуатації, транспортуванні чи зберіганні і бути технологічним при виготовленні в заданих умовах виробництва та бути безпечним під час використання. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 20 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 2 МОДЕЛЬ МЕТАЛОШУКАЧА З ВИКОРИСТАННЯМ ТЕХНОЛОГІЙ ДЕТЕКТУВАННЯ 2.1 Технології детектування в сучасних пристороях пошуку металу Технологія VLF Це найпоширеніша технологія, яка покладена в основу роботи більшості детекторів металу. Технологія VLF дослівно перекладається, як технологія дуже низьких частот, являє собою технологію передачі звичайної одночастотної синусоїдальної хвилі. Це традиційний тип технології, що використовується в більшості основних металошукачів. Одночастотні детектори синусоїдальної хвилі створюють електромагнітне поле, яке передається в землю суцільною хвилею. У той час як основний спосіб, яким сигнал посилається і повертається назад, не змінюється, а обробка сигналу значно поліпшується. Ця технологія виявилася надійною і простою у використанні для пошуку золота. З моменту винаходу цієї технології, аналіз результатів значно покращився, але базовий принцип, який полягає в тому, що металодетектор випромінює сигнал і приймає відбитий сигнал, не змінився. Технологія VFLEX Технологія VFLEX використовує останні досягнення в області цифрових технологій для підвищення продуктивності детекторів, що використовують при пошуку одну частоту. Технологія VFLEX використовує найсучаснішу цифрову електроніку та обробку сигналів для вдосконалення традиційної одночастотної VLF технології. VFLEX забезпечує підвищену ефективність детектування за допомогою ідеальної передачі синусоїди, підсилювача сигналу в котушці на частотах передачі, що обираються котушкою. Така технологія трансформує звичайну одночастотну технологію виявлення металів, включаючи два мікроконтролери, один всередині блоку керування, а другий всередині котушки. Щоразу, коли металошукач запускається, мікроконтролери встановлюють зв'язок за допомогою цифрового каналу передачі Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 21 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата даних. Мікроконтролер котушки передає конфігурацію, розмір та точну частоту котушки, тому блок керування може генерувати ідеально відповідний передавальний сигнал. Це значно зменшує спотворення і підвищує точність ідентифікації цілі. Технологія VFLEX генерує та передає ідеальну високоякісну синусоїду, використовуючи ту саму технологію, яка є у високоякісних цифрових аудіоплеєрах, і створюється без спотворень. Принцип роботи зображено на рисунку 2.1. Рисунок 2.1 – Технологія VFLEX Усунення спотворень максимізує потужність, що передається від пошукової котушки, тим самим збільшуючи глибину виявлення та чутливість. Це також призводить до підвищеної точності ідентифікації цілі та більшої стійкості до зовнішніх впливів, наземного та навколишнього шуму. Слабкі цільові сигнали підсилюються всередині котушки перед тим, як прийнятий сигнал направляється по кабелю котушки, де можуть виникнути перешкоди та втрати сигналу. Ця методика покращує стійкість до електричних шумів за рахунок зменшення помилкових сигналів та збільшення потужності цільового сигналу, отже, покращується глибина виявлення та чутливість [4, 5]. Технологія BBS (широкосмуговий спектр) Технологія одночасно передає, приймає та аналізує широку смугу частот, забезпечуючи значну глибину виявлення, високу чутливість та точну дискримінацію для широкого кола пошукових цілей. Ця широка смуга частот надає Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 22 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата електроніці детектора більше інформації про ціль та навколишнє середовище, ніж це можливо за допомогою одночастотних технологій. Детектор здійснює вдосконалену обробку сигналу цих частот, що покращує точність ідентифікації цілі та збільшує глибину. Цей процес також значно зменшує помилкові сигнали, навіть у суворих і мінливих умовах, таких як пляжі з морською водою. Як правило, високі частоти передачі більш чутливі до малих цілей, а низькі частоти передавача прибавляють глибини виявлення великим глибоким цілям. BBS одночасно передає та аналізує широку смугу декількох частот від 1,5 кГц до 25,5 кГц і, отже, чутливий як до малих, так і до великих глибоких цілей одночасно, на рисунку 2.2 зображено принцип роботи за технологією BBS. Рисунок 2.2 – Принцип роботи технології BBS Точне багатоканальне перетворення сигналу технологією BBS, аналіз кількох каналів сигналу за допомогою методики, яка називається мультиплексування (MUX). Ці сигнали можна порівняти з цифровими (Vref. так DAC), багатоканальне перетворення зображено на рисунку 2.3. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 23 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 2.3 – Точне перетворення багатоканального сигналу Кінцевим результатом є цільові сигнали з високою роздільною здатністю, які можуть бути ідентифіковані мікроконтролером детектора (MCU). Цей метод аналого-цифрового перетворення дозволяє BBS відокремлювати наземні сигнали від цільових сигналів, досягаючи великої глибини та стабільності в складних умовах [5,6]. Технологія FBS (повнодіапазонний спектр) FBS (Full Band Spectrum) одночасно передає, приймає та аналізує повну смугу спектру. Ця технологія забезпечує металошукач, більш детальною інформацією про ціль та навколишнє середовище, ніж це можливо за допомогою однієї частоти або технології BBS. Принцип роботи передаючого сигналу зображено на рисунку 2.4. Рисунок 2.4 – Принцип роботи передаючої котушки за технологією FBS Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 24 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Технологія має ряд переваг, серед яких: − висока чутливість у широкому діапазоні типів і розмірів цілей, тому достатньо провести пошуковим датчиком над поверхнею лише один раз; − автоматична чутливість та компенсація ґрунту, тому максимальна глибина досягається навіть на мінералізованих ґрунтах, включаючи пляжі з морською водою; − надзвичайно точне багатоканальне перетворення сигналу для точного відділення цільових сигналів від наземних для максимальної глибини виявлення та ідентифікації цілі з високою роздільною здатністю; − Smartfind двовимірна дискримінація, надає максимальну інформацію про цілі, завдяки чому цілі можуть бути одночасно розрізнені як за залізними, так і провідними властивостями. Як правило, високі частоти передачі більш чутливі до дрібних предметів, а низькі частоти більш прийнятні до глибокозалягаючих великих предметів. FBS одночасно передає та аналізує повну смугу декількох частот від 1,5 кГц до 100 кГц і тому чутливий як до дуже малих, так і до великих глибоких предметів одночасно, цим самим виключається можливість пропустити пошукову ціль. FBS використовує багатоканальну сігма-дельта аналого-цифрову технологію перетворювача для відцифровки аналогових сигналів, отриманих пошуковою котушкою, обробка зображена на рисунок 2.5. Рисунок 2.5 – Ультрашвидка обробка технологією FBS Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 25 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Ця ультрашвидка обробка за допомогою цифрової характеристики (1 біт DAC) забезпечує мікроконтролер (MCU) детальною інформацією щодо умов ґрунту та цілей. Це дає FBS можливість точно відокремити сигнали цілей від сигналів ґрунту для максимальної глибини виявлення [5,6]. 2.2 Опис способу детектування металу в проектованому пристрої Пропонований метод дозволяє проводити детектування металевих об'єктів у зоні сканування. Суть методу полягає у генеруванні перемінного електромагнітного поля та подальшому аналізі відхилення результуючого електромагнітного поля в зоні сканування від очікуваних значень. Генерація електромагнітного поля (далі «первинне електромагнітне поле») виконується за допомогою первинної котушки. Вихідним сигналом є ЕРС, що виникає на приймаючій котушці, яка розміщена в результуючому електромагнітному полі. Розташування котушок додає фактор часткового відображення електромагнітних хвиль від сканованого об'єкта, які не потраплятимуть у зону приймаючої котушки, внаслідок чого ЕРС буде змінюватися при внесенні об'єкта. Передбачається, що металеві об'єкти будуть відігравати роль «заслону» між первинною та вторинною котушками. Відомо, що існує залежність між матеріалом, товщиною, розмірами об'єкта і параметрами відображення сигналу, а значить, матеріал об'єкта та його розмір прямо впливатимуть на вихідний корисний сигнал. Однак, основним фактором, що впливає на корисний сигнал, є виникнення вторинних електромагнітних полів, зумовлених протіканням у провідниках (металевих об'єктах) струмів Фуко [14]. Струми Фуко виникають в електричних провідниках при зміні часу потоку електромагнітного поля, що діє на них. Цим і пояснюється поява вторинних електромагнітних полів. Вторинні електромагнітні поля для різних матеріалів відрізняються за фазою, напруженістю (амплітуді) та часом згасання [15-16]. Тому параметри об'єктів у зоні сканування впливатимуть на результати електромагнітного поля. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 26 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Третім фактором, що найменш впливає, є залежність параметрів індукційних котушок (як приймаючої, так і генеруючої) від наявності металевих об'єктів. За наявності металевих об'єктів поруч із індукційною котушкою змінюється її індуктивність, а отже, і амплітуда з формою корисного сигналу. Визначено, що найбільш підходящою формою вихідного сигналу генерації електромагнітного поля є меандр. Це обумовлюється тим, що він найбільше схильний до впливу характеристики реактивного зв'язування джерела електромагнітного поля, яким, в цьому випадку, є пов'язана система з котушок індуктивності та об'єктів у зоні сканування. У тому числі, при імпульсній зміні сигналу (а значить і генерованого електромагнітного поля), в дію набувають параметри струмів Фуко в сканованих об'єктах, час згасання та фаза. При постійній, не імпульсній, зміні сигналу (синусоїдальний або пилкоподібний сигнал) ці параметри не впливають настільки очевидно. Нижче наведено приклад (рис 2.6) одного періоду вихідного корисного сигналу при використанні як вихідного сигналу. Рисунок 2.6 – Форма вихідного корисного сигналу Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 27 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Як видно з рисунку, корисний сигнал має періодичну форму спотвореного меандру. Ця форма відтворена на основі попередніх досліджень. Нижче наведено порівняння напівперіодів сигналів між наявністю металевого об'єкта та без наявності металевого об'єкта в зоні сканування (рис. 2.7). Рисунок 2.7 – Передбачені форми корисних сигналів На наведеному прикладі з відхилення сигналу видно, що металевий об'єкт викликає збільшення амплітуди сигналу ближче до кінця напівперіоду, у той час як на початку напівперіоду сигнал змінюється не настільки сильно, іншими словами, металевий об'єкт у зоні сканування змінив форму сигналу. Варто зазначити, що ці зміни викликані сталевим циліндром, і зміна форми сигналу залежить від його матеріалу, наприклад, оксиферові матеріали навпаки зменшать амплітуду сигналу. Виходячи з вищевикладеного, наявність металевого об'єкта у зоні сканування визначається за відхиленням форми вихідного сигналу від очікуваного. Шукати це Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 28 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата відхилення можна різними способами – аналізуючи синфазні та квадратурні сигнали, розраховуючи відхилення сигналу тощо. Вибір підходу до аналізу форми залежить від конкретної реалізації методу та можливостей апаратури (її обчислювальної потужності). Згідно з результатами попереднього аналізу форми отриманого сигналу, найбільші відхилення сигнал приймає ближче до кінця напівперіоду, і стабільний на його початку до певної точки. Значить, найбільш ефективно оцінювати форму сигналу по похилій площині між двома точками, позначимо ці точки як a і b. Інакше, запропоновано характеризувати форму всього сигналу формою цього відрізка окремо для кожного напівперіоду сигналу. У найпростішому випадку форма відрізка – це його нахил, тобто відношення двох його крайніх точок, у нашому випадку відношення точок а та b. Таким чином, форма сигналу r у напівперіоді, характеризується функцією: ���� ���� = ���� де ар – значення амплітуди в точці а напівперіоду; bp – значення амплітуди в точці b напівперіоду; р – індекс напівперіоду сигналу; rp – характеристика форми цього напівперіоду. Нижче наведено приклад вибору точок на напівперіоді (рис. 2.8). Однак, слід зазначити, що для кожного напівперіоду необхідно вибирати однакові точки щодо початку напівперіоду, таким чином періоди tА та tAB зазначені на рисунку, повинні бути постійні і не змінюватися з часом. Додатково для зменшення впливу шумів вихідного корисного сигналу, які не вдалося відфільтрувати за допомогою попередніх фільтрів, необхідно усереднити значення точок а та b. Пропонується усереднити ці точки із сусідніми їм значеннями. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 29 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 2.8 – Приклад корисного сигналу з вибором точок Формула розрахунку усередненої точки А: ����(��−1) + ������ + ����(��+1) ���� = 3 де Ар – усереднене значення амплітуди в точці а; а – значення амплітуди у точці а напівперіоду; р – індекс напівперіоду сигналу; n – індекс точок усередині напівперіоду. Формула розрахунку усередненої точки B: ����(��−1) + ������ + ����(��+1) ���� = 3 Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 30 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата де Вр – усереднене значення амплітуди в точці b; b – значення амплітуди в точці b напівперіоду; р – індекс напівперіоду сигналу; n – індекс точок усередині напівперіоду. Таким чином, кінцева формула розрахунку форми сигналу виглядає наступним чином: ���� ���� = ���� де Rp – характеристика форми цього напівперіоду; Ар – усереднене значення амплітуди в точці а; Вр – усереднене значення амплітуди в точці b. При внесенні металевого об'єкта до зони сканування відбудеться зміна форми сигналу, а значить, зміниться функція R співвідношення цих точок. Це зміна і слід виявити, інакше кажучи, порівняти функції точок у різні моменти часу (напівперіоди), інакше, розрахувати математичне очікування та порівняти його з фактичним значенням на даний момент. Позначимо значення R зараз як Rm. Таким чином, запропонований принцип детектування заснований на побудові еталонного R та розрахунку його параметрів, позначимо його Re. Усереднення із накопиченням результуючого сигналу дозволить створити характеристику еталонного сигналу Re. Практичні дослідження предметної області дозволили зробити обґрунтоване припущення, що відповідний період усереднення перебуває у розкиді від трьох до п'яти секунд. За наявності металофрагмента в якийсь момент m зміниться форма сигналу, отже, зміниться значення параметра Rm порівняно з еталонним Re. Це і буде ознакою наявності металофрагмента. Варто зазначити, що ефективний спосіб відстеження та оцінки зміни форми сигналу можуть відрізнятися для різних випадків, і вибір алгоритмів слід обирати під конкретні умови та вимоги. Наприклад, по зміні загальної амплітуди сигналу Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 31 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата можна оцінювати розмір предмета, але в нашому випадку поставлена мета визначення лише наявності металевих об'єктів в області сканування. Таким чином, розглянутий тільки спосіб з двома точками в кожному напівперіоді, однак, можна припустити, що двох точок може бути недостатньо. Отже, необхідним є розробка моделі та виконання моделювання для визначення основних технічних вимог до апаратури, а також основних часових характеристик та вимог до параметрів системи детектування і аналізу сигналу. У разі потреби кількість точок можна збільшити, але тоді обчислювальні витрати зростуть. 2.3 Моделювання роботи способу детектування Для моделювання роботи методу детектування металевих об'єктів використовувалися дані попередньо отримані з стенду. Надалі стенд став основою для створення конструкції металодетектора. Нижче наведено функціональну схема роботи моделі (рис. 2.9). Рисунок 2.9 – Функціональна схема моделі Вихідними даними з такого стенду є відцифрований і відфільтрований (засобами застосовуваного пристрою оцифровки та фільтрації корисного сигналу) вихідний сигнал, який, відповідно, є вхідними даними для моделі, що використовується для відпрацювання методу. Для генерації сигналу Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 32 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата використовувався драйвер на основі Н-мосту керований з допомогою плати розробника [17]. Ідентичний спосіб генерації використовувався надалі для створення макету металодетектора. Як пристрій відцифровки, фільтрації та посилення сигналу використовувалося зовнішній пристрій відцифровки низькочастотних сигналів Е- MU 0404 (рис. 2.10), який за допомогою проводового USB з'єднання передавав відцифровані дані на ПК для подальшого запису у двійкових файлах [18]. Рисунок 2.10 – Загальний вигляд E-MU 0404 Як аналізований об'єкт виступав сталевий циліндр діаметром 30 мм та висотою 30 мм. Для збору даних об'єкт проносився кілька разів через зону сканування через певні інтервали. Проміжки записувалися окремо на паперовому носії для того, щоб однозначно визначити моменти пронесення металевих об'єктів в отриманих вхідних даних часу пронесення від кількісті даних після початку запису. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 33 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Отримані за допомогою стенду дані вихідного корисного сигналу є вхідними даними для моделі методу детектування металевих об'єктів. Вони представлені у вигляді двійкових файлів. Вихідними даними роботи моделі є побудовані часові графіки значень точок А та В, графіки значень Re та Rm для наочного відстеження зміни форми сигналу в часі, а також, кінцевий висновок про наявність металевого об'єкта у зоні сканування. У розробленій моделі Re розраховувалося як математичне очікування, протягом трисекундного інтервалу. Для визначення наявності металевих фрагментів в області, використовувалося правило трьох сигм, згідно якому, ймовірність того, що значення нормально розподіленої випадкової величини лежить в інтервалі трьох квадратичних відхилень від математичного очікування (квадрату дисперсії) дорівнює 0,9973. Рисунок 2.11 – Значення точок А і В Таким чином, інтервал значень для Rm при яких вважається, що металевого об'єкта у зоні сканування немає. Якщо Rm знаходиться поза інтервалом, то в зону Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 34 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата сканування внесли металевий об'єкт. Для зменшення впливу шумів на результат роботи, вхідні дані піддаються передобробці, під час якої відкидаються чотири молодших значущих розряду. Результати моделювання Одним із результатів роботи моделі є графік розрахованих усереднених значень А та В (рис. 2.11). Можна помітити, що у певні проміжки відбувається різка зміна значень, ці проміжки збігаються з моментами пронесення металевий об'єкт через зону сканування. Крім того, точка В піддається більшим змінам ніж А. Таким чином, підтверджено відмінність форми корисного сигналу з металевим об'єктом у зоні сканування від форми корисного сигналу без металевого об'єкта у зоні сканування. Наведений нижче графік (рис. 2.12) підтверджує дані висновки, на ньому видно різкі зміни значень Re і Rm, які збігаються за часом виникнення з флуктуаціями значень точок А та В, тобто відбуваються в періоди пронесення металевого об'єкта через зону сканування. Рисунок 2.12 – Значення Rе і Rm Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 35 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата На рисунку 2.13 наведено графік кінцевої роботи методу. Дані, які на ньому зображені співпадають із проміжками знаходження металевого об'єкту в зоні сканування. Рисунок 2.13 – Наявність металевих об'єктів в зоні сканування Наведені вище результати роботи моделі підтвердили достатність двох точок для аналізу форми сигналу, при визначенні сталевих об'єктів. На основі результатів аналізу предметної галузі проведено розробку методу детектування металевих об'єктів і наведений спосіб його застосування. Розроблений метод полягає у стеженні за параметрами корисного сигналу, що характеризує результуюче електромагнітне поле в області, що сканується. Вихідний корисний сигнал отримується внаслідок вимірювання ЕРС на приймаючій індуктивної котушки, що знаходиться в цьому полі. Джерелом первинного поля є генеруюча індуктивна котушка, вихідний сигнал має форму меандр. Стеження за корисним сигналом виконується для аналізу його форми та порівнянні поточної форми сигналу з очікуваною в даний момент. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 36 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Очікувана форма сигналу розраховується на основі даних, що одержуються протягом останніх 3-х секунд. Результати роботи моделювання підтвердили його працездатність та адекватність способу реалізації. 2.4 Порівняльна характеристика різних типів котушок Конструкція пошукового датчика Найбільш практичними вважають два типи датчиків. Заштрихована область на рисунку 2.14 – це площа зони захоплення пошукового датчика на глибині рівній 75% від максимальної. Monoloop котушка з круглою концентричною формою і «точковим» захопленням зображена на рисунку 2.14. В такій конструкції приймальна котушка розташована всередині передавальної їх осі збігаються. Таке концентричне розташування котушок ще називають компланарним. Випромінююча ЕРС в приймальній котушці компенсується спеціальним трансформаторних пристроєм, відбираючи частину сигналу випромінюючої котушки. Рисунок 2.14 – Конструкції пошукового датчику Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 37 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Monoloop кругла концентрична котушка; еліптична DoubleD котушка. Double D котушка з еліптичною формою котушками і «широким» захопленням, зображена на рисунку 2.15. Форма і взаємне розташування котушок вибрано таким, щоб сумарний потік вектору магнітної індукції через поверхню, обмежену приймальною котушкою, дорівнював нулю. Для виготовлення котушок краще підходить форма еліпса, так само часто зустрічаються котушки в формі літери «D». Датчики з двома котушками у вигляді літери «D» зовні часто бувають круглої форми. Датчики з «широким» захопленням, називають еліптичними або DD котушками [7,9]. На рисунку 2.15 різниця між котушками показана схематично. Сигнал від DoubleD котушки йде ширше. Але Monoloop котушка дістає, як правило, глибше. DoubleD котушки металошукачів рекомендується використовувати на сильно мінералізованому ґрунті. На рисунку 2.15 детальніше показується різниця між DoubleD та Monoloop котушкою. Рисунок 2.15 – Порівняння між Monoloop та Double D пошуковими котушками Зазвичай металошукач однаково добре працює як з одним, так і другим типом котушок, але у DoubleD є перевага. Виражається воно в формі сигналу. Сканована площа Monoloop котушок має форму конуса. Площа DoubleD – це циліндр, тобто Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 38 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата практично вся площа під котушкою просвічується на всю глибину, доступну котушці. А не так як у Monoloop: максимальна глибина досягається на кінці конуса в центрі кола. Кожен помах Monoloop котушкою треба перекривати наступним помахом приблизно на 50%, в DoubleD котушки помах перекривається мінімально. Перевагою Double D так само є більш стабільна робота в умовах підвищеної мінералізації. Тому з появою DoubleD технології вона швидко знайшла своїх прихильників. На даний момент більшість виробників випускають прилади, у яких в стандартній комплектації йде саме DoubleD котушка. Треба зауважити, що Double D котушки дорожче у виготовленні, ніж Моно. Це позначається на їх ціні [8, 10]. Діаграма направленості пошукових котушок Глибина виявлення металошукачем залежить від діаметра його датчика точніше від площі котушок, розмірів пошукового об'єкта, його провідності, від розташування об'єкта та його форми, від частоти випромінюваного поля. Для простоти вважається, що магнітне поле по всьому об'єму пошукового об'єкта однорідне, тобто він знаходиться на значній відстані від випромінюючої котушки. На рисунку 2.16 приведена діаграма спрямованості датчика з круглими концентричними котушками з еліптичною котушкою (DoubleD котушка). Рисунок 2.16 – Діаграма направленості пошукових котушок Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 39 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Наведена діаграма спрямованості котушок, різні за формою і площею основи в залежності від типу датчика – коло для котушки з «точковим» захопленням і еліпс для котушки з «широким» захопленням. У основі еліпсоїда довжина великої півосі, дорівнює радіусу кола. Це поверхні 2-го порядку, які обмежують максимальний об’єм під котушкою металошукача, де можна отримати сигнал від пошукової цілі. Сигнал від пошукової цілі розташованої на будь-якій точці цієї поверхні має одну й ту ж саму силу і відсутній за межами об’єму обмеженого поверхнею. Силові лінії індукції магнітного поля передавальної котушки йдуть перпендикулярно до цих поверхонь в будь-якій точці. Область максимальної глибини виявлення монети виділена на рисунку 2.17, синім кольором по осі Z в вершині поверхонь. Перетин площиною ZOY діаграми спрямованості датчика з еліптичної котушкою дає еліпс, а діаграми з круглими концентричними котушками – криву 2- го порядку параболу. На рисунку 2.17, показані ці фігури, по осі Z вказана глибина, що видається приладом, коли пошукова ціль знаходиться під котушкою, а Y - це відстань від пошукової цілі до осі через центр котушки. Зона виявлення під кільцем являє собою площу фігуру з віссю в центрі котушки і вершиною спрямованої в землю і обмежену параболою (в разі котушки з «точковим» захопленням) або еліпсом (еліптична котушка) [8]. Рисунок 2.17 – Площина перерізу ZOY діаграми направленості котушок Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 40 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Оцінка глибини пошуку метала На рисунку 2.18 схематично зображено креслення глибини пошуку пошукової котушки фірми Garrett 8.5x11 DD AT-PRO (21,59x27,94см). Тест проводився на повітрі. Площина монети паралельно площині пошукової котушки. Рисунок 2.18 – Глибина пошуку пошуковою котушкою Garrett 8.5x11 DD Квадратиками і кружками відзначені точки вимірювань для монет: 10 копійок, 50 копійок, 1гривня (старого зразка до 2018 року карбування). Криві є оцінкою того, як розташовувалися б значення, якщо провести більше вимірів: − зелена лінія, точки, де максимальна глибина монети 10 копійок видається рівною 15 см. − cиня лінія, точки, де глибина монети 50 копійок видається рівною 20 см; − червона лінія, точки, де глибина в монети 1 гривня видається рівною 29 см. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 41 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 2.5 Реалізація інтерфейсу передачі даних в пристрої При виборі бездротової технології для додатків і систем збору інформації одними з головних вимог є відкритість стандарту, сумісність пристроїв різних виробників, доступність таких пристроїв в тривалій перспективі, надійність технології, низька ціна, економічність, можливість побудови мереж різної архітектури. Інтерфейс передачі даних між смартфоном та пошуковим датчиком в теорії можна реалізувати за допомогою RFM модулю або Bluetooth модулю. RFM модулі діапазонах 315, 433, 868 і 915 МГц. Дані пристрої використовують ЧМ модуляцію і відповідають рекомендаціям FCC і ETSI. Пристрої мають невисоку ціну і малі розміри (не більше 3 см2). Радіомодулі зберігають працездатність в діапазоні температур 40 ... + 85 °C. Радіомодулі RFM виробляються за технологією COB, у вигляді друкованої плати з встановленими компонентами і роз'ємом для підключення до зовнішніх ланцюгів. Недоліком RFM модулів є те, що вони розраховані для роботи в парах, що конструктивно призведе до підключення такого RFM модулю безпосередньо до смартфону, щоб забезпечити передачу даних [11]. Для реалізації передачі даних між датчиком та смартфоном доцільно ви- корситати технологію Bluetooth. Широко відома технологія Bluetooth далеко не обмежується споживчими застосуваннями. Ідея використовувати цю технологію для передачі даних в різних системах збору інформації та управління вельми приваблива через низьку вартість модулів і надійності технології. В індустріальних системах це рішення все частіше використовується як заміна про-водів в провідних інтерфейсах Bluetooth на сьогоднішній день це найпопулярніша радіотехнологія ближнього радіусу дії. Протокол Bluetooth підтримує як з'єднання типу точка-точка, так і точка-многоточка. Кілька пристроїв, що використовують один і той же канал, утворюють пікомережу (piconet), при цьому один з пристроїв працює як провідний (Master), а решта – як підлеглі (Slave). В одній пікомережі може бути до семи активних підлеглих пристроїв. Для визначення моделі поведінки при встановленні з'єднання між різними типами пристроїв вводиться поняття «профіль», що означає Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 42 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата набір функцій і можливостей, які використовує Bluetooth в якості механізму транспортування. Найчастіше технологія Bluetooth застосовується в мобільних телефонах, широкому споживачеві вона відома також як зручний спосіб з'єднання домашньої та офісної електроніки. Більшість профілів якраз і спрямована, перш за все, на вирішення цих завдань [12]. В таблиці 2.1 приведена порівняльна характеристика сучасних Bluetooth- модулів які є лідерами на ринку. Таблиця 2.1 – Порівняльна характеристики Bluetooth-модулів HC05 HC06 CSR8635 Cambridge Silicon Виробник Keyan Keyan Radio Чіпсет BC417 BC417 CSR8635 Bluetooth Версія протоколу Bluetooth 2.0+EDR Bluetooth V4.0 2.0+EDR Вихідна потужність, +4 +4 +4 макс., ДБм Чутливість DQPSK -91 -84 -84 приймача, дБм 8DPSK -81 Інтерфейси UART UART UART, SPI Розміри, мм 27x12,7x2,35 18 x 13 х 1,8 13,5 x26,2 х 2,0 Напруга живлення 3.3В 3.3В 2,8…4,2 В Температурний -20…+70 -20…+70 -10…+70 діапазон. 0С Більшість модулів є закінченими пристроями і вимагають для підключення мінімум зовнішніх елементів. Модулі HC05 і HC06 є найбільш використовуваними, їх частіше за інших можна знайти в продажу. Принцип дії цих модулів схожий, обидва модуля засновані на однаковому чіпі, але є і важливі відмінності. В першу чергу, модуль HC05 може Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 43 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата працювати в двох режимах роботи – і в якості ведучого (master), і в якості відомого (slave) [13]. Найчастіше застосування Bluetooth для приладу зводиться до емуляції звичайного асинхронного послідовного порту UART, на рисунку 2.19 зображено передачу по радіоканалу між смартфоном та пошуковим датчиком. Рисунок 2.19 – Використання Bluetooth-модулю для заміни кабельного з'єднання Відмінності лише в тому, що спочатку повинна встановитися зв'язок по радіоканалу, а далі Bluetooth-модуль використовується практично як звичайний кабель. З апаратної точки зору підключення модуля здійснюється дуже просто – до виводу RF приєднується антена, підключаються UART, на відповідний вивід підключений до джерела живлення 3,3 В і в момент включення формується імпульс скидання на вивід Reset тривалістю не менше 5 мс. При підключенні виводів послідовного інтерфейсу слід звернути увагу на те, що крім ліній прийом передача (Rx/Tx) повинні бути задіяні лінії апаратного контролю потоку (CTS/RTS). Це необхідно для того, щоб виключити можливість втрати інформації при переповненні внутрішнього буфера модуля в разі, якщо виникають затримки в передачі інформації по радіоканалу, викликані повторною при виявленні помилки або затримкою при перемиканні каналу [12]. В розділу проведено аналіз сучасних технологій детектування в металошукачах, було розглянуто різні типи котушок та проведено їх аналіз та було запропоновано реалізацію інтерфейсу передачі даних між датчиком та смартфоном Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 44 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата З конструкторської точки зору в якості технології детектування для майбутнього прототипу доцільно використати технологію VFLEX, яка використовує останні досягнення в області цифрових технологій для підвищення продуктивності металошукачів, що використовують при пошуку одну частоту. Основна відмінність технології VFLEX полягає в тому, що генератор сигналу знаходиться не в блоці управління детектора, а в котушці детектора. В якості датчика для прототипу, доцільніше використати Monoloop круглу концентричну котушку, так як за точністю визначення місцеположення цілі котушки з «точковим» захопленням краще, так як мають меншу кількість зон нечутливості по краям і напрямку сканування. Такі котушки хороші при роботі на сильно засмічених ділянках, ними легше і швидше встановити точне місце залягання знахідки. В якості реалізації інтерфейсу передачі даних між датчиком та смартфоном доцільно вибрати технологію Bluetooth, яка в даний час задовольняє всім основним вимогам, що пред'являються до бездротової передачі даних в складних умовах промислового виробництва. Масове застосування призвело до того, що на сьогоднішній день це найдешевша технологія – роздрібна ціна готового радіомодуля наближається до двох доларів. Модулі Bluetooth забезпечують надійну передачу інформації в умовах високого рівня електромагнітного випромінювання різної природи, мають низьку ціну, невисоке енергоспоживання, прості у використанні. Bluetooth вже вбудований в багато сучасні пристрої – ноутбуки, КПК, телефони, і має вбудовану підтримку в найбільш поширених операційних системах. Це дає можливість легко інтегрувати цю технологію в створювані бездротові системи управління та збору інформації. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 45 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 3 ПРОЕКТУВАННЯ ПРОТОТИПУ ПРИСТРОЮ ДЕТЕКТУВАННЯ МЕТАЛУ 3.1 Розробка функціональної та принципової схем пристрою Функціональна схема металошукачу з інтерфейсом передачі даних приведена на рисунку 3.1. Рисунок 3.1 – Функціональна схема прототипу металошукачу В моделі подібного пристрою, смартфон за задумом використовується, як блок керування металошукачем, зв'язок між блоком керування пошукової котушки та смартфоном оператора відбувається за допомогою Bluetooth-модулю. Схемою комутації в пошуковому датчику виступає мікроконтролер, який для прототипу можна реалізовувати на Arduino. Сигнал який надходить на передаючу котушку від смартфону підсилюється за допомогою передаючого підсилювачу та потрапляє на Tx обмотку датчику. При цьому наведена ЕРС в приймальній Rx обмотці компенсується спеціальним буферним пристроєм, відбираючи частину сигналу передаючої Tx обмотки. Сигнал отриманий від пошукового об'єкту підсилюється приймальним підсилювачем першочергово обробляється мікроконтролером, та передається за допомогою Bluetooth-модулю на смартфон оператору. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 46 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Схема електрична принципова розроблена в середовищі Altium Designer зображена на рисунку 3.2. Рисунок 3.2 – Принципова схема прототипу металошукачу Опис роботи полягає в тому, що для смартфону створюється додаток, який виконує функцію блоку керування металошукача в даному випадку пошукового датчика. Схемою комутації в пошуковому датчику виступає мікроконтролер на Arduino Nano. Сигнал від генератору реалізованого на можливостях смартфону, передається на Bluetooth-модуль HC05 (3 вивід Tx, модулю HC05). Сигнал від HC05 надходить на D2 (5 вивід, INT0 модулю Arduino ) Мікроконтролер Arduino виступає в ролі комутатору та внутрішнього опорного генератору, який одночасно передає конфігурацію, розмір та точну частоту передаючій котушці (Tx), тому блок керування може генерувати ідеально передавальний сигнал. Оброблений сигнал від генератору надходить на виходи D4, D5 та D9 (D4 та D5 відповідно 7 та 8 вивід Arduino задіяні як шина I2C; D9, 12 вивід Arduino, ШІМ) Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 47 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата сигнал підсилюється за допомогою передаючого підсилювачу зібраного на ОП DA1.1 та потрапляє на Tx обмотку датчику. При цьому наведена ЕРС в приймальній Rx обмотці компенсується спеціальним буферним пристроєм зібраним на VT1, відбираючи частину сигналу передаючої Tx обмотки. Сигнал отриманий від пошукового об'єкту підсилюється приймальним підсилювачем на ОП DA1.2 першочергово обробляється мікроконтролером Arduino, та передається за допомогою Bluetooth-модулю на смартфон оператору. 3.2 Обґрунтування вибору складових частин пристрою Для розробки прототипу доцільно вибрати готові модулі, які широко застосовуються в подібних проектах та є масовими в використанні Вибір мікроконтролеру Для розробки прототипу доцільно використати модуль Arduino Nano 3.0 на мікроконтролері ATmega328, зображено на рисунку 3.3. Рисунок 3.3 – Схематичний опис плати Arduino Nano 3.0 Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 48 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Верхня частина плати Top Board; нижня частина плати Bottom Board. Arduino Nano входить в трійку найпопулярніших плат Arduino. Вона дозволяє створювати компактні пристрої, що використовують той же контролер, що і в Arduino Uno. Назва плати нано говорить сама за себе – вона дійсно має невеликі розміри при тій же функціональності. Технічні характеристики Arduino Nano: − напруга живлення 5В; − вхіда напруга 7-12В (рекомендований); − кількість цифрових пінів – 14, з них 6 можуть використовуватися в якості виходів ШІМ та 8 аналогових входів; − максимальний струм цифрового виходу 40 мА; − флеш пам'ять 2 Кб, ОЗП 2 КБ, EEPROM 1 Кб; − частота 16 МГц; − розміри 19 х 42 мм, вага 7 г; Живлення плати може здійснюватися двома способами: − через mini-USB при підключенні до комп'ютера; − через зовнішнє джерело живлення, що має напругу 6-20 В з низьким рівнем пульсацій. У плати Arduino Nano присутнє обмеження по напрузі і струму на вході та виході плати. Всі цифрові і аналогові контакти працюють в діапазоні від 0 до 5 В. При подачі живлення, що виходить за рамки цих значень, напруга буде обмежуватися захисними діодами. У цьому випадку сигнал повинен підключатися через резистор, щоб не вивести контролер з ладу. Найбільше значення вхідного або вихідного струму не повинно перевищувати значення 40 мА, а загальний струм контактів повинен бути не більше 200 мА. Позначення контактів модулю зображено на рисунку 3.4. На платі є 4 світлодіода, які показують стан сигналу. Вони позначені як Tx, Rx, PWR і L. На перших двох світлодіод загоряється, коли рівень сигналу низький, і показує, що сигнал Tx або Rx активний. Світлодіод PWR загоряється при напрузі в 5 В і показує, що підключено живлення. Останній світлодіод – загального Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 49 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата призначення, загоряється, коли подається високий сигнал, з більш детальним описом контактів можна ознайомитися в Datasheet-і виробника. Рисунок 3.4 – Схематичне позначення контактів модулю Arduino Nano 3.0 Модуль Arduino Nano має великі функціональні можливості, але у них є один недолік – це обмежене, в порівнянні з Arduino Mega, число виводів. Тому на етапі складання схеми пристрою слід продумати, яким чином можна максимально спростити проект, щоб скоротити число потрібних для підключення контактів [14]. Вибір Bluetooth-модулю В проекті передбачено дистанційного керування та передачі між телефоном та пошуковим датчиком. Найзручнішим способів є обмін даних через Bluetooth, так як Bluetooth використовується в усіх сучасних смартфонах. Для зв'язку плати Arduino і комп'ютера використовується інтерфейс UART (Serial). Так як будь-яка Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 50 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата плата Ардуіно має хоча б один послідовний порт UART, для підключення Bluetooth модуля не потрібні спеціалізовані бібліотеки і схеми. Всі існуючі типи модулів Bluetooth мають свої особливості, але за функціями і дії вони схожі. В проекті доцільно використати модуль HC05. З боку Arduino модуль виглядає як звичайний послідовний інтерфейс, що дозволяє відразу налагодити взаємодію з пристроєм на етапі налагодження готового пристрою. Основні характеристики модуля HC05: − живлення 3,3В; − максимальна вхідна напруга 5 В; − максимальний струм 40 мА; − швидкість передачі даних до 115200 бод; − робочі частоти 2,40 ГГц - 2,48ГГц; − підтримка специфікації bluetooth версії 2.1; − потужність передачі 0,25…2,5мВт; − дальність зв'язку до 10 м; Позначення контактів модулю зображено на рисунку 3.5. Рисунок 3.5 – Схематичне позначення контактів модулю HC05 Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 51 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Модуль HC 05 може працювати в двох режимах роботи – і в якості ведучого (master), і в якості відомого (slave) [13]. Вибір модулів живлення Модуль зарядки TP4056 заснований на контролері зарядки Li-Ion і Li-Po акумуляторів на 3.7 В з вбудованим термодатчиком, це завершений виріб з лінійним зарядом за принципом постійна напруга/постійний струм для одноелементних літій-іонних акумуляторів. Рисунок 3.6 – Схематичне позначення компонентів модулю TP4056 Контролер виконаний в корпусі SOP-8, має на нижній поверхні металевий тепловідвідник не поєднаних з контактами, дозволяє заряджати акумулятор струмом до 1000 мА (залежить від струмозадаючого резистора). Вимагає мінімум навісних компонентів. TP4056 автоматично завершує цикл зарядки при досягненні напруги на ньому 4.2 В і зниженні струму заряду до 1/10 від запрограмованої величини. Модуль має індикацію процесу заряду. У момент заряду світиться червоний світлодіод, а коли батарея буде повністю заряджена засвітиться зелений Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 52 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата світлодіод, червоний при цьому згасне. Крім контролера зарядки ТP4056 на платі додані два чіпа DW01 (схема захисту) і ML8205A (здвоєний ключ MOSFET), служать для захисту акумулятора від перерозряду, перезарядження, перевантаження і короткого замикання [15]. Вибір аккумулятору Для датчика металошукачу вибирається літій-полімерний акуумулятор ємністю 3000мAм напругою 3.7В типорозмір 4540115. Зовнішній вигляд зображено на рисунку 3.7. Рисунок 3.7 – Li-Po акумулятор 4540115 Літій-полімерний елемент має товщину 1 мм, що дозволяє зробити розміри акумулятора компактними. Конструкція полімерно-літієвих акумуляторних пристроїв повністю виключає присутність електроліту в формі рідини або гелю. Заміна рідких електролітів полімерними плівками виключило високий ризик займання батареї і зробило її безпечною. 3.3 Проектування друкованої плати пристрою Для проектування друкованої плати більш доцільно підходить третій точності. Його застосовують для ОДП та ДДП з дискретними ЕРЕ при низькій та середній щільності їх компоновки. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 53 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата За щільністю розміщення провідникового рисунку вибирається третій клас щільності. Попередньо обирається двостороння друкована плата з металізованими отворами, при цьому зберігається висока механічна надійність пайок, висока щільність монтажу, але висока вартість виготовлення. Для забезпечення максимальної технологічності складальних операцій, що особливо важливо при значних об'ємах випуску РЕА, було вибрано варіанти встановлення ЕРЕ на друкованій платі та формовки їх виводів. Спочатку розраховується необхідна площа Sм для розміщення ЕРЕ, для цього знаходиться сума встановлювальних площ всіх ЕРЕ згідно з вибраними варіантами їх встановлення. Друкована плата розроблена в середовищі Altium Designer зображена на рисунку 3.8. Рисунок 3.8 – Друкована плата датчику металошукачу Для виготовлення друкованої вибирається субтрактивний комбінований позитивний метод. Друкована плата виготовляється на фольгованому діелектрику з металізацією отворів, при якому спочатку виконується свердління отворів і металізація, а потім травлення міді з пробільних місць. Метод дозволяє виготовляти ДП із підвищеною щільністю монтажу, високими електричними параметрами і високою міцністю зчеплення про-відників. Розміри друкованої плати 125 на 25 мм. Ширини сигнального провідника вибирається 0,4мм, до ширина провідника для живлення 5В вибирається 1мм. Візуальна 3D модель ДП в середовищі SolidWorks представлена на рисунку 3.9 верхня частина плати, на рисунку 3.10 нижня частина плати. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 54 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата Рисунок 3.9 – 3D модель верхньої частини плати датчику металошукачу Рисунок 3.10 – 3D модель нижньої частини плати датчику металошукачу При проектуванні ДП було враховано конструктивні особливості пристрою, плата спроектована компактно та лаконічно, модулі Arduino та НС-05 запаюються як SMD компоненти [16, 17]. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 55 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата ВИСНОВКИ У ході кваліфікаційної роботи проведено аналіз предметної області. Результатом аналізу став висновок про спосіб детектування металевих об'єктів, здатного забезпечити більш високий рівень чутливості, ніж існуючі. Для перевірки запропонованого способу детектування металу виконано проектування моделі металодетектора. З огляду аналогічних проектів на ринку металошукачів визначено напрямок дослідження для реалізації новизни та задуму в цілому на етапі проектування. Металошукач поєднує пошукові котушки, які не тільки реалізують його з повноцінним набором функцій і можливостей, здатний забезпечити оптимальні умови пошуку будь-чого, але і зменшує витрати на купівлю пошукового обладнання. При проведенні аналізу технологій детектування в сучасних металошукачах найбільш практичними є застосування технології VLF та VFLEX. Технологія VLF найпоширеніша та випробувана часом технологія, яка покладена в основу роботи більшості детекторів металу. Технологія VFLEX доповнює VLF технологію та забезпечує підвищену ефективність детектування за допомогою ідеальної передачі синусоїди, завдяки внутрішньому генератору в пошуковій котушці на частотах передачі від блоку керування, що обираються пошуковою котушкою. При порівнянні характеристик різних типів котушок визначено, що від параметрів пошукового датчика залежить глибина пошуку та площа сканованого ґрунту. На основі результатів моделювання сформовано вимоги до випробувальної моделі, розроблена структурна та електричні функціональні схеми. Випробування моделі показали адекватність застосованих технічних рішень та підтвердили результати моделювання. Модель має високий потенціал до розширення та додавання нових функцій. Для реалізації інтерфейсу передачі даних між датчиком та моделлю запропоновано технологію Bluetooth. Модулі Bluetooth забезпечують надійну передачу інформації в умовах високого рівня електромагнітного випромінювання різної природи, мають Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 56 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата низьку ціну, невисоке енергоспоживання та прості у використанні. У ході конструкторського дослідження проведеного у роботі, запропоновано реалізацію конструкції металошукача. Результати роботи відповідають технічному завданню. Однак, надалі необхідно провести дослідження впливу різних металів на вихідний сигнал та точніше провести аналіз коректності роботи. Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 57 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата СПИСОК ВИКОРИСТАНИХ ДЖЕРЕЛ 1. About Search Coils / David Johnson [Електроний ресурс] – Режим доступу: https://www.tekneticsdirect.com/blog/the-tek-files/189-aboutsearch-coils (дата звернення: 19.04.2022). 2. Bluetooth metal detector uses your smartphone to do its thinking [Електроний ресурс] – Режим доступу: https://newatlas.com/air-metal-smartphone-metal- detector/59129/ (дата звернення: 05.05.2022). 3. Bоbае Kim. Pu1se-induction meta1 detector with time-domain bucking circuit for 1andmine detection // Воbае Kim, Jung Won Уооn, Seung-eui Lee, Seung-Hoon / Electronics Letters, 2018. – Т. 51, P. 159-161. 4. Claudio Bruschini. А Multidisciplinary Analysis of Frequency Domain Metal Detectors for 1-lumanitarian Demining / Claudio Bruschini – BRUSSEL dessertation, 2018. – 242 с. 5. Cortex-M4 [Електронний ресурс] / Режим доступу: https://develореt.com/products/processors/cortex-m/cortex-m4 (дата звернення: 28.04.2022). 6. ECAP (К50-35) Конденсатори електролітичні [Електронний ресурс] / Режим доступу: http://lib.chipdip.ea/235/DOC00023.pdf (дата звернення: 03.05.2022). 7. FuWen Раn. Design and implementation of metal detection based оn eddy current sensor / FuWen Раn, JinLing Zhangb, YingHua Lvc, Weikang Qiaod, Qiang Mie / Advanced Materals Research, 2015. – Т. 321. P. 11-14. 8. Genuine VFLEX Technology precision X-Terra Performance. [Електроний ресурс] – Режим доступу: https://www.minelab.com/support/productnotices (дата звернення: 08.05.2022). 9. Minelab Technologies [Електроний ресурс] – Режим доступу: https://treasurechief.com/info/minelab/ (дата звернення: 01.05.2022). 10. SPS-Series [Електронний ресурс] / Режим доступу: https://shema.info/uk/pobutova-elektronika/metaloshukachi/metalodetek (дата звернення: 30.04.2022). Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 58 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 11. STEINERT ISS [Електронний ресурс] / Режим доступу: https://steinertglobal.com/magnets-sensor-sorting-units/sensor-sorting/system (дата звернення: 15.04.2022). 12. Tmega8 [Електронний ресурс] / Режим доступу: http://www.atmel.com/images/atmel-2486-8-bit-avr (дата звернення: 29.04.2022). 13. World Steel in Figures 2021. The World Steel Association [Електронний ресурс] / Режим доступу: https://www.worldsteel.orghnedia-centre/pressreleases/ (дата звернення: 22.05.2022). 14. Yamazaki S. Basic analysis of а metal detector / S. Yamazaki, Н. Nakane, А. Таnaka // IEEE Transactions оn Instrumentation and Measurement, 2020. – Т. 51. P. 810-814. 15. Yuwei Liao. Decision Fusion of Ground-Penetrating Radar and Meta1 Detector Algorithms // Yuwei Liao, Loren W. Nolte, Leslie М. Collins / IEEE Transactions оn Geoscience and Remote Sensing, 2017. – Т. 45. P. 398-409. 16. Баканов Г. Ф. Основы конструирования и технологии радиоэлектронных срдств // Баканов Г. Ф., Соколов С. С., Суходольский В. Ю.; под редакцией И. Г. Мироненко. – К.: Академія, 2017. – 368 с. 17. Боровиков С. М. Проектування друкованої плати // Навчально-методичний посібник для студентів радіотехнічних спеціальностей. / К.: Київський радіомеханічний технікум, 2018. – 26 с. 18. Боровиков С. М. Расчет показателей надежности радиоэлектронных средств – К.: Академія, 2018. – 415 с. 19. Вихревые токи [Електронний ресурс] / Режим доступу: http://electricalsch001.info/mainjosnovy/532-vikhrevye-toki.html (дата звернення: 16.04.2022). 20. Грек А. Электронная лихорадка: современные металлоискатели [Електроний ресурс] – Режим доступу: https://www.popmech.ea/technologies/9146- elektronnaya-likhoradka-sovremennyemetalloiskateli/ (дата звернення: 10.04.2022). Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 59 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата 21. Железоотделители (сепараторы, металлоуловители) [Електронний ресурс] / Режим доступу: http://promenergo.dem/ge1 (дата звернення: 17.04.2022). 22. Мировой рынок меди: добыча руды, производство, потребление, мировые цены на медь [Електронний ресурс] / Режим доступа: https://ereport.ua/ commod/copper.htm (дата звернення: 21.04.2022). 23. Обзор металлоискателя [Електроний ресурс] – Режим доступу: https://newatlas.com/metal-detector (дата звернення: 07.05.2022). 24. Практическое пособие по учебному конструированию РЭА // Белинский Т. В., Гондюл В. П., Грозин А. Б. Мазор Ю. Л. – К.: Вища школа, 2018. – 496 с. 25. Рынок железной руды: добыча продолжает расти [Електронний ресурс] / Режим доступу: http://www.indexbox.winews/dobycha-zheleznoy-rudy- prodolzhaet-rosti (дата звернення: 10.04.2022). 26. Сравнение типов катушек грунтовых металлоискателей [Електроний ресурс] – Режим доступу: http://www.sledovnet.ua/article_14.html (дата звернення: 15.04.2022). Лист ЧДТУ.221833.001 ПЗ 60 Змн. Арк. № докум. Підпис Дата