ClonePI = fandy.front.ru/clonepi.htm = Detektor kovů ClonePI od ruského autora, pracující na pulsním principu, je dle mého názoru jedním z nejpovedenějším amatérských detektorů, které si lze zdarma postavit. Autor na svých internetových stránkách nabízí jak program tak i podklady pro výrobu DPS a to volně ke stažení. V tomto článku budu popisovat jak celý detektor zkompletovat (nahradit některé ruské součástky, které se u nás nedají sehnat, českými), oživit ho a nastavit. A nakonec bych zde chtěl uvést základní principy detektorů kovů a princip diskriminace kovů. Základní technické parametry Napájecí napětí: 12V±2V. Odběr: asi 70mA (je odvozen od odporu hledací cívky). Indikace: alfanumerický LCD displej 16x2 znaků, piezosirénka nebo piezo. Ovládání: 4x tlačítko pro ovládání funkcí detektoru kovů, vypínač pro ZAP/VYP. Cívka: podle informací od autora lze použít jakákoliv hledací cívku. Dosah při hledání: orientační hodnoty při různých velikostech hledací cívky viz obr. 2 Hledací cívka Za hledací cívku je považován jakýkoliv smotek vodičů, okolo kterého vzniká elektromagnetické pole. Čím větší je intenzita magnetického pole tím se samozřejmě zvětší i celkový dosah detektoru. Intenzita magnetického pole H lze odvodit ze vzorce : H = zi = zu/r = zu/zr = U/r (kde: z= počet závitů, I= proud, U= napětí, R= odpor, r= odpor jednoto závitu). Některé hledací cívky jsou vhodné pro hledání menších předmětů, některé zase pro hledání větších předmětu. Detektor kovů by ovšem fungoval i s jakoukoliv klasickou cívkou je ale otázka co by jsme s takovou cívkou hledali. Informace na LCD viz obr. 1 1. Úroveň odezvy ve formě bargrafu. 2. Napětí na baterii. 3. Indikuje nastavenou citlivost. 4. Indikuje nastavenou hlasitost. 5. Příznak indikující činnost automatického ladění (viz. Ovládání a chování ClonePI). 6. Příznak indikující činnost průběžného dolaďování (viz. Ovládání a chování ClonePI). 7. Příznak indikující zapnuté osvětlení LCD displeje. Obr. 1 Informace zobrazené na LCD displeji detektoru ClonePI ClonePI Podle informací, které si můžeme přečíst na domovských stránkách detektoru ClonePI [1] se jedná o hardwarovou kopii detektoru TracertPI [2], který pochází z dílny též ruského autora, který ovšem nabízí svůj program za peníze. Mezi základní rozdíly těchto kopií patří zejména přechod z procesoru Atmel na procesor PIC. Dále stojí za zmínku přidání externího 12ti bitového AD převodníku, pro zvýšení citlivosti, ze stávajícího interního 10ti bitového AD převodníku v PIC nebo Atmel. V neposlední řadě bych chtěl uvést, že program disponuje funkcí průběžného dolaďování (viz. Ovládání a chování ClonePI), což umožňuje hledat například v terénu, který obsahuje kovové podloží atd. Podle testu ruského detektoru jeho autorem, lze nalézt (s Lorencovou cívkou o průměru 26 cm) kovovou minci srovnatelnou s naší dvacetikorunou do hloubky 25 cm (podle mých testů, lze nalézt, s tímto detektorem a Lorencovou cívkou, dvacetikorunu do hloubky cca 20 cm). Dále viz. obr. 2
Obr. 2 tabulka dosahu detektoru kovů při použití různých velikostí hledací cívky Popis funkce (viz. Obr. 9) Cívka je buzena tranzistorem IRF740 (VT1), který je přes tranzistor 2N5551 (VT2) buzen přímo mikroprocesor PIC16F873A (U1). Napětí naindukované na cívce je omezeno dvojicí diod 1N4148 (VD1 a VD2) a dále utlumeno trimrem R7 a rezistorem R8. Výsledný signál je zesílen pomocí standardního OZ TL074 (U5). Integrovaný obvod 74HC4066 (U6) odděluje ze signálu pouze určité sekvence, ze kterých je možné zjistit přítomnost kovů. Takto zpracovaný signál je vyhodnocen AD převodníkem MCP3201 (U2), jenž je řízen pomocí SPI sběrnice mikroprocesorem U1. Jak je patrné mikroprocesor PIC16F873A (U1), budí tedy jak cívku, tak i zpracovává výsledný signál (odezvu kovů). LCD displej je řízen též mikroprocesorem (U1), pomocí čtyřbitové datové sběrnice a dvou řídících signálů (třetí řídící signál R/W je propojen se zemí, protože se na LCD displej v tomto případě pouze zapisuje, nikoliv čte). Stabilizátor 7805 (U4) zajišťuje stabilní napětí 5V pro napájení mikroprocesoru (U1), AD převodníku (U2) a LCD displeje (U3). Napětí na baterii je měřeno přes odporový dělič tvořený z rezistorů R33 a R34 (autor stránek uvádí, že změnou odporů v odporovém děliči bychom měli přesně seřídit měřené napětí se skutečným napětím na baterii). Osvětlení LCD displeje a akustická signalizace je buzena tranzistory BSN254A (VT6 a VT7), protože by tyto komponenty PIC přímo budit nemohl (max. proud I/O u PIC16F873A je 25mA). Ovládání a chování ClonePI Autor detektoru ClonePI vyvíjí stále novější verze programu, a proto je možné, že v případě pokud si budete PIC programovat sami nějakou z novějších verzí, nemusí tento popis přesně odpovídat skutečnosti. Po zapnutí se detektor začne seřizovat ( příznak automatického ladění ) na typ cívky ke které je připojen (toto seřizování může trvat až 30 sekund). Ovládaní funkcí detektoru tlačítky se verze od verze liší, nicméně se tlačítky téměř ve všech verzích programu nastavuje citlivost, hlasitost, osvětlení ZAP/VYP, nastavení prahu napětí na baterii při kterém se detektor vypne, reset vynuluje průběžnou kalibraci ( průběžné dolaďování ) přístroje, a frekvenci buzení cívky 200/400 Hz (nezapomeňte na to, že každé tlačítko má dvě funkce první funkci, když tlačítko zmáčkneme a druhou když tlačítko držíte stisknuté déle jak 2 vteřiny). Detektor se automaticky seřizuje průběžně dolaďuje - (viz obr. 3) tak, že v případě pokud je odezva větší než nulová (bargraf indikuje přítomnost kovu), snaží se postupně snižovat citlivost a v případě, že je citlivost menší než nulová (bargraf neindikuje přítomnost kovu) citlivost se snaží postupně zvyšovat. To má za následek dosažení maximální možné citlivosti. Nastavením citlivosti způsobíme to, že posuneme pomyslnou nulovou odezvu buďto popředu nebo dozadu viz obr. 4. Obr. 3 princip automatického seřizování Obr. 4 princip nastavení citlivosti Akustická indikace I přesto, že autor stránek měl zřejmě v úmyslu jako akustickou signalizaci použít klasické piezo, použití piezosirénky mělo za následek to, že každá úroveň odezvy na kov má vlastní tón, což je při hledání velice praktické. Pro připojení sluchátek bych doporučoval použít zásuvku s přepínačem (pro stereo JACK 3,5mm), která po připojení sluchátek odpojí piezo, popřípadě piezosirénku. Popis navinutí Lorencovy cívky (viz. obr. 6, obr. 7 a obr. 8) Jednou z možností jakou cívku k detektoru připojit, je právě Lorencova cívka. Návod na výrobu takové cívky budu právě popisovat. Vezmeme si nějakou např. dřevěnou desku 60x60 cm. Celou desku polepíme izolepou. Předkreslíme si dvě kružnice se stejným středem o poloměru 18 a 21 cm. Na každou kružnici si naneseme 21 bodů se stejnými vzdálenostmi mezi sebou a do bodů zatlučeme hřebíky tak, aby byly 2 cm vně prkna. Na každý hřebík nasuneme PVC bužírku a začneme navíjet izolovaným (zvonkovým) drátem o průměru cca 0,4 mm viz obr. 5. Navineme 8 závitů, vezmeme montážní pěnu a všechny mezery v cívce pečlivě vystříkáme. Po zatvrdnutí (cca po 24 hodinách podle typu montážní pěny) odřízneme přebytečnou pěnu. Obr. 5 navíjení Lorencovy cívky
Obr. 6 cívka připravená k zastříknutí montážní pěnou Obr. 7 cívka zastříknutá montážní pěnou Obr. 8 hotová cívka Nahrazení některých ruských součástek českými (viz obr. 9) Asi největší problém bylo najít firmu, která k nám dováží AD převodník MCP3201 (U2) v nějakém rozumném množství. Nakonec jedinou firmou, kterou jsem objevil je firma Microdis [3], která dováží tyto převodníky z Anglie do tří pracovních dnů a to už v jednom kuse za cenu 100 Kč/kus + poštovně a balné, které se pohybuje kolem 80 Kč. Od autora jsem se dále dozvěděl, že lze použít alternativní 12ti bitové převodníky se sběrnicí SPI např. převodník ADS7816. 13ti bitový převodník MCP3301, který GME běžně nabízí se podle autora nedá použít, vyžadovalo by to totiž změnu programu. Tranzistory BSN304A (VT6 a VT7) jsem nahradil sice dražší alternativou tohoto tranzistoru, nicméně takovou alternativou, kterou lze u nás sehnat a to tranzistorem BSN254A. Na závěr bych kladl důraz na to, že rezistory R1, R2 a R37 jsou výkonové, musíme tudíž použít rezistory, jejichž výkon je větší než 1W. Obr. 9 schéma ClonePI Osazení a celková montáž zařízení ClonePI do krabičky (viz obr. 10) Začneme osazovat od nejmenších součástek až po konektory. Součástky po každém kroku zaletujeme ze strany plošných spojů. Nejprve osadíme všechny rezistory, diody a propojky. Pokračujeme osazením keramických kondenzátorů a tranzistorů. Poté osadíme trimry a objímky na integrované obvody. Jako poslední osadíme destičku plošných spojů elektrolytickými kondenzátory a konektory. Na závěr integrované obvody nacvakneme do příslušných objímek, které jsme již zaletovali do DPS. ClonePI přichytíme ve vrcholech za distanční sloupky ke spodní části krabičky. Ke spodní části krabičky též připevníme nad sebe zásuvku pro stereo JACK 6,3 mm (pro přivedení napájení) a XLR konektor do panelu 4pin - (pro připojení cívky). Do svrchní části krabičky vyřízneme pomocí lupínkové pilky otvor do kterého vsuneme zobrazovací část LCD displeje. LCD displej přichytíme ve vrcholech distančními sloupky ke svrchní části krabičky. Pod LCD displejem vyvrtáme pět otvorů čtyři otvory pro tlačítka a jeden otvor pro přepínač ZAP/VYP. Do připravených otvorů vsuneme ovládací prvky a upevníme je pomocí matek dodávaných s ovládacími prvky. Dále do svrchní části krabičky vyvrtáme menší otvor (kolem 3 mm) ke kterému ze spodu přilepíme (popř. jinak mechanicky připevníme) piezo (piezosirénku). K XLR konektoru (pro připojení cívky) přivedeme dvoužilový vodič (kabel by měl mýt větší průměr než 0,7mm, aby měl co nejmenší odpor) od ARK konektoru X3. Ovládací prvky a piezo (piezosirénku) propojíme s konektorem X2 dle obr. 9. K napájecímu konektoru (zásuvka pro stereo JACK 6,3 mm) přivedeme dvoužilový vodič, který je přerušen přepínačem ZAP/VYP (S5) - zapojení dle obr. 9. LCD displej připojíme ke ClonePI pomocí konektoru X1. Krabičku opatrně zavřeme, tak abychom nepřiskříply žádný kabel a zašroubujeme vruty dodávanými spolu s krabičkou. Obr. 10 deska s plošnými spoji Oživení a nastavení ClonePI Pro oživení ClonePI není nezbytně nutný osciloskop, nicméně pokud ho máme, lze ClonePI seřídit do maximální citlivosti. Útlum cívky nastavíme trimrem R7 (pokud osciloskop nemáme, nastavíme jezdce doprostřed). Sondu osciloskopu připojíme na výstup U5C (TL074) a trimrem nastavíme správný útlum dle obr. 11. Málo tlumená cívka totiž způsobuje překmity, které zcela překryjí užitečný signál, přetlumená cívka je sice použitelná, ale snižuje citlivost detektoru a prakticky znemožňuje funkci obvodů měření vodivosti, které se používá pro diskriminaci kovů. V poslední řadě nastavíme trimrem R35 správný kontrast LCD displeje. Napájení detektoru kovů Obr. 11 nastavení správného útlumu cívky
Nejvíce se pro napájení detektoru kovů osvědčil olověné akumulátor 2,6Ah/12V. Lze použít ovšem i akumulátory s větší kapacitou, např. u akumulátoru 8Ah/12V bude výdrž detektoru mnohonásobně větší (pokud by jsme ale chtěly použít jeden z olovených akumulátorů s větší kapacitou, musíme si dát pozor na váhu, protože např. u akumulátoru 8Ah/12V se váha pohybuje okolo 3kg, což je poměrně dost i pro připevnění k pasu). Pokud by jsme chtěly naopak dosáhnout spíše menší váhy a postačoval by nám provoz detektoru kolem 30min, můžeme použít obyčejnou 9V baterii (popř. akumulátor). V tomto případě, ale musíme nastavit práh napětí na baterii při kterém se detektor vypne pod 9V (výchozí nastavení je 10,5V nastaveno pro napájení z 12V baterie/akumulátoru). Jak jsem již zmiňoval, baterii/akumulátor bych doporučoval připevnit si k pasu, protože v případě, že baterii/akumulátor připevníme přímo k detektoru kovů, bude nás, pokud detektor perfektně nevyvážíte, po chvíli hledání bolet ruka. Baterii/akumulátor připojíme k detektoru pomocí kabelu, který vyrobíme viz obr. 12. Obr. 12 výroba napájecího kabelu Sestavení kompletního detektoru kovů Nosnou konstrukcí celého detektoru kovů je PLASTOVÁ teleskopická tyč na kterou pomocí PVC příchytek (25mm) na vodovodní trubky připevníme zařízení ClonePI (celou montáž na teleskopickou tyč provedeme dle obr. 13) a část odpadní trubky (kterou vyřízneme a připevníme k teleskopické tyči dle obr. 14), která bude sloužit k zafixování našeho předloktí (průměr odpadní trubky vybereme tak, aby co nejtěsněji objala naše předloktí). Aby se fixátor předloktí (část odpadní trubky) a ClonePI neotáčely kolem osy teleskopické tyče, kápneme kapku sekundového lepidla mezi PCV držáky vodovodních trubek a teleskopickou tyč. Dále musíme k teleskopické tyči připevnit (viz obr. 15) pomocí stahovacích pásku držadlo. Jako nejlepší se jeví použít část kliky, kterou dále obmotáme prádelní šňůrou, aby byla pohodlnější v ruce. Přebývající stahovací pásky, kterými jsme držadlo přimontovaly, odštípneme a obmotáme elektrikářskou páskou (viz obr. 15). Vezmeme si PLASTOVOU misku od květináče (průměr 44 cm) a doprostřed připevníme dvě zdířky na banánky a kloub, který sestavíme (a připevníme dle obr. 16) z pěti PVC držáku na vodovodní trubky o průměru 20mm a násady na teleskopickou tyč (lze sehnat např. jako část malířského štětce) celý kloub pak připevníme k misce od květináče. Navinutou cívku vložíme do misky, připevníme pomocí stahovacích pásků (viz obr. 17) a propojíme se zdířky na banánky. Misku uzavřeme tvrdým kartonem, který připevníme (viz obr. 17) stahovacími pásky k misce. Kabely propojíme a celkově sestavíme detektor dle obr. 18. Obr. 13 montáž zařízení ClonePI na teleskopickou tyč Obr. 14 výřez a montáž fixátoru předloktí Obr. 15 montáž držadla Obr. 16 výroba kloubu a montáž k misce od květináče Obr. 17 sestavení hledací cívky Obr. 18 dokončení detektoru kovů Poznámky na závěr Předen bych chtěl upozornit, že po připojení cívky se pohybuje naindukované napětí na cívce kolem 600V, proto, prosím, dávejte si pozor! Detektor dobře reaguje na menší předměty, jako jsou kovové mince, hřebíky, sponky a další. Podle mých zkušeností má největší odezvu hliník, který je obsažen ve všelijakém odpadu např. obal od žvýkačky, hliněné přebaly víček lahví od piv atd. Verze programu ClonePI, kterou popisuji neobsahuje diskriminátor kovů, nicméně autor uvádí na svých stránkách dvě verze programů s disktirminátorem. O prvním verzi programu (program pro tento typ procesoru) píše, že se jedná pouze o jakousi experimentální verzi. Druhá verze programu (pro PIC18F252) je podle autora již plnohodnotná (viz obr.19). Jako novinku představil autor zjednodušenou verzi ClonePI s procesorem Atmega8, která postrádá již zmiňovaný AD převodník MCP3201. Nejvíce ovšem oceníme malou spotřebu, která se pohybuje, při použití Lorencovy cívky navinuté dle návodu, okolo 70mA, což je opravdu málo. Na závěr bych zde chtěl uvést příklad viz obr. 20, co lze nalézt během hodiny na 300m 2 písečné pláže s ClonePI.
Vyzkoušené verze programů Mou testované verze programů byly pouze pro mikroprocesory PIC16F873A. Zatím poslední testovanou verzí se stala verze CPI_PRG_171, nicméně předchozí verze programů byly funkcemi téměř totožné. Změny byly pouze v grafických úpravách programu, automatickém seřizování a změně frekvencí buzení cívky. Jedinou funkcí odlišnou verzí programu byla již zmiňovaná verze CPI_PRG_D, která obsahuje diskriminaci kovů. Obr. 19 detektor kovů ClonePI s funkcí diskriminace kovů Obr. 20 kovové předmět nalezené během jedné hodiny Principy detektorů kovů Detektory s vyváženou indukčností: Budící elektronika budí cívku, kolem které vzniká střídavé magnetické pole. Druhá cívka - snímací, umístěná v tomto poli je nastavena a elektronicky vyvážena tak, aby na výstupu vyhodnocovacích obvodů bylo bez přítomnosti kovu nulové napětí. Libovolný kovový předmět způsobí rozvážení a příslušnou odezvu k upozornění obsluhy na jeho přítomnost. Jedná se o princip se kterým jsou dosahovány velmi dobré výsledky prakticky ve všech oblastech profesionálního použití. Pulsní detektory PI : Pulsní detektory vysílají směrem k zemi magnetické impulsy a přijímají odezvu způsobenou přítomným kovovým předmětem. Tato odezva je vyvolána vířivými proudy vznikajícími ve všech kovech, které jsou v dosahu vysílaných magnetických impulsů. Tyto detektory jsou citlivé na malé kovové předměty a použitelné i do velkých hloubek. Hlavními oblastmi využití jsou minohledačky, hledače kabelů v zemi a "hledače pokladů". Detektory založené na rozladění indukčnosti IB : Takovéto detektory jsou v klidu vyváženy a přítomností kovového předmětu dojde ke změně indukčnosti hledací cívky. Tato změna je elektronicky vyhodnocena a signalizována obsluze. Existuje řada různých provedení pracujících na tomto principu, použitelných tam, kde není požadována větší citlivost. Detektory se záznějovým oscilátorem BFO : používají se dva oscilátory blízkých frekvencí, jejichž rozdílem vzniká slyšitelný zázněj. Hledací cívka je indukčností jednoho z oscilátorů, který se přiblížením cívky ke kovu rozladí a tím dojde ke Diskriminace kovů Jedním ze způsobu jak zjistit o který kov se jedná je použití metody, která spočívá v tom, že každý kov je jinak vodivý (pozor: např. zlato, které není čisté obsahuje příměse může mít stejnou vodivost jakou železo). Při hledání detektorem pracujícím na PI principu je přijímaná odezva od kovového předmětu v podobě jakési křivky. Vyhodnocením několika bodů z této křivky, dostaneme docela jasný výsledek o tom o jaký kov se jedná. Nevýhodou je ovšem to, že abychom mohli vyhodnocovat křivku musíme mít dostatečně rychlí a přesný AD převodník (převodník použitý v detektoru ClonePI - MCP3201 - je naprosto postačující) a musíme být hledanému kovu blíže, než kdybychom kov chtěl pouze nalézt, protože čím blíže jsme k hledanému kovu, tím zřetelnější je křivka. Podrobnější popis měření vodivosti kovů a tabulku jakou křivku má který kov naleznete na stránkách HQ-ELECTRONIC [4]. Použitá literatura [1] http://fandy.front.ru/clonepi.htm [2] http://www.metdet.ru/pi.htm [3] http://www.microdis.net [4] http://hq-elektronic.eu/p06_vo.html Seznam součástek LCD display MC1602E-SYL U3 Tranzistor IRF740 VT1 2x Tranzistor BSN254A VT6, VT7 El. kondenzátor 1000 uf/16v C29
3x El. kondenzátor 220 uf/25v C11, C26, C28 El. kondenzátor 2200 uf/16v C1 6x Kondenzátor 100 nf C2, C3, C9, C23, C25, C27 3x Kondenzátor 470 pf C20, C21, C22 2x Kondenzátor 27 pf C4, C5 Kondenzátor 2,2 nf C6 trimr 22K PT655K022 R35 2x Rezistor 100k R38, R41 Piezo speaker KPB5075 Y1 Rezistor 47 Ω R39 2x Rezistor 20 Ω R2, R30 Rezistor 100 Ω R36 Rezistor 200 Ω R37 4x Rezistor 1k R6, R8, R13, R40 2x Rezistor 3k R20, R34 1 Rezistor 10k R4, R5, R9, R10, R11, R12, R16, R17, R28, R31, R32 Rezistor 12k R33 Rezistor 56k R15 Rezistor RRU 2M4 R14 2x Rezistor RR W2 E390 R1, R3 4x Dioda 1N4148 VD1, VD2, VD3, VD4 Stabilizátor 78L05 U4 Dioda 1N5817 VD5 4x Tranzistor 2N5551 VT2, VT3, VT4, VT6 Int. obvod 4066 U6 Int. obvod TL074 U5 Krystal Q 10MHZ Q1 trimr 1k 64 W 1K R7 PIC procesor PIC16F873A-I/SP U1 Svorkovnice ARK300V-2P X3 AD převodník MCP3201 U2 XLR konektor MIC334 - pro připojení hledací cívky ke ClonePI vidlice XLR konektor MIC324 - pro připojení hledací cívky ke ClonePI zásuvka 2x JACK 6,3mm T213J - pro připojení napájení zásuvka 2x JACK 6,3mm SCP-2005T - pro připojení napájení vidlice MLW konektor MLW14A - pro připojení ovládacích prvků, pieza a napájení + protikus pro nacvaknutí na kabel MLW konektor MLW16A - pro připojení LCD displeje + protikus pro nacvaknutí na kabel 4x spínací tlačítko P-M312 RT - tlačítka, kterými budeme ovládat funkce ClonePI přepínač P-B070B - vypínač ZAP/VYP 30m jednožilový vodič průřez : 0,4 mm - pro navinutí cívky 4m dvoužilový vodič min průřez : 0,7 mm - pro přivedení napájení a budících impulsů k cívce akumulátor B-WP 1.9-12 - pro napájení doporučuji olovený akumulátor 2,6 Ah/12V krabička U-KP29 - pro zařízení ClonePI pouzdro nebo krabička pro akumulátor pro připevnění k pasu PLASTOVÁ!!! teleskopická tyč PLASTOVÁ!!! miska pod květináče průměr 44 cm odpadní trubka výběr délky a průměru záleží na nás
10ks silnější stahovací páska (minimálně 15 cm dlouhá a 5mm široká) 50ks užší stahovací páska (maximálně 3mm široká a minimálně 5 cm dlouhá) 5x příchytka na PVC vodovodní trubky 20 mm 5x příchytka na PVC vodovodní trubky 25 mm 10cm PVC vodovodní trubky distanční sloupky; vruty; šroubky; matky; lišta na kabely; malířský štětec, který lze připevnit na teleskopickou tyč; krokodýlky nebo banánky; dřevěné úhelníčky; část kliky; prádelní šňůra, elektrikářská PVC izolepa