mercredi 9 août 2017

détecteur de métal

Dans cet article je décris la construction d'un détecteur de métal construit autour d'un PIC10F322 et d'un oscillateur Colpitts en base commune.

Origine d'un projet

La semaine dernière je sors de la maison pour aller prendre l'allée qui se trouve à l'arrière. J'aperçois mon voisin qui a l'air de chercher quelque chose.
- Salut Jacques!
- Salut Robert! Qu'est-ce que tu cherches?

Il ouvre la main pour me montrer plusieurs vis et clous.
- J'ai fais une crevaison ici hier.
- Ha! Moment d’embarras...

En juin j'ai refais la clôture qui borde cette allée. Hors je n'avais pas ramassé toutes les clous et vis qui y sont tombés. J'aurais du être plus attentif à la récolte des vieux clous et vis. Mais ce n'est pas si facile de les trouver à travers l'herbe et le gravier. Je me suis dis qu'un détecteur de métal serais utile dans cette opération de nettoyage. Plutôt que d'en acheter un j'ai décider de le fabriquer. Projet de fin de semaine.

Schématique

Montage carte

Assemblage final

Mise à l'essaie

Dans ce bref vidéo les objets détectés sont dans l'ordre, une rondelle en acier, 1 pièce de 5 cent en nickel et 1 pièce de 1 cent en cuivre.

Description

Le détecteur de métal est constitué d'un oscillateur Colpitts en montage base commune. Il comprend le transistor Q1 2N3904, l'inductance L1 et les condensateurs C4 à C7. R1,R2 ainsi que C2 ne servent qu'à polariser le transistor dans sa zone de conduction. C6 et R3 sont les éléments qui permettent la rétro-action positive entre le collecteur et l'émetteur. Le circuit accordé est formé de L1, C4,C5 et C7. C4 et C7 en parallèles forment l'équivalent d'un condensateur de 4,4nF. Je n'avais pas de 4,7nF en main mais si vous avez un, remplacez C4 et C7 par un seul condensateur de 4,7nF. Une fraction du signal du circuit accordé est renvoyée à l'émetteur de Q1 à travers le condensateur C6. La fréquence de cet oscillateur mesurée à l'oscilloscope est de 460Khz. Mais la valeur exacte n'est pas importante car c'est la variation de fréquence que le logiciel va mesurer. La sortie de l'oscillateur est envoyée au microcontrôleur PIC10F322 sur la broche 3, T0CKI à travers C8 et R4. La logique de détection est simple, il s'agit simplement de détecter les variations de fréquence de l'oscillateur causées par la présence prêt de la bobine L1 d'un objet métallique. Dans ce but la minuterie TIMER0 est utilisée pour compter les cycles de l'oscillateur pendant un intervalle de 32 millisecondes a répétition en comparant chaque mesure avec la précédente. Si cette valeur varie dans la même direction 2 mesures consécutives on considère qu'il y a présence d'un objet métalique et l'alarme sonore est activée.

Construction de la bobine L1 et assemblage.

Dans une planche de pin de 3/4" d'épaisseur (19mm) j'ai découpé un disque de 6" (15cm) de diamètre. Avec une lime queue de rat j'ai creusé une cannelure sur toute la circonférence du disque afin d’accueillir le bobinage. Le bobinage est comprend 17 tours de fil émaillé numéro 22 AWG (0,6mm). Mesuré avec un appareil LCR j'obtiens une valeur de 115µH pour cette bobine tel qu'indiqué sur la schématique.

Pour le manche j'ai utilisé une tige de peuplier à section carrée de 1/2" (12,5mm) qui est maintenue au disque avec une vis et de la colle.

Un petit boîtier en contre-plaqué 1/8" (3mm) a été fabriqué et fixé au manche pour contenir le circuit électronique.

Le montage électronique lui-même est fait sur une plaquette de bakélite de 7cm x 9cm à pastille de cuivre sur une seule face.

Description logicielle

Donc le signal de l'oscillateur est capturé à l'entrée T0CKI (broche 3) et les cycles sont comptés par le TIMER0 sur un intervalle de 32 msec. La minuterie TIMER2 est utilisée comme compteur de période pour la génération de la tonalité d'alerte de 500 hertz générée par le périphérique PWM1. La routine débutant à init: initialise les périphériques et active l'interruption sur le TIMER2. Cette minuterie possède un diviseur en sortie qui permet de déclencher l'interruption après un certain nombre de cycles. Le post-diviseur est configuré pour une interruption à tous les 16 cycles de TIMER2. Une fois l’initialisation complétée le logiciel tombe dans une boucle infinie goto $ car la détection se fait à l'intérieur de la routine d'interruption qui débute à ìsr:. À chaque interruption on fait une lecture de TMR0 qui représente le nombre de cycles de l'oscillateur comptés sur une durée de 32 msec. En fait il s'agit du nombre de cycles modulo 256 car on n'a pas besoin du compte complet puisque les variations d'une interruption à l'autre sont nettement inférieures à 256. Pour chaque interruption on conserve cette valeur dans la variable last. La variable run est une variable temporaire qui représente la dernière lecture de TMR0 faite au début de la routine d'interruption. On compare donc cette dernière valeur avec la valeur de last et on incrémente ou décrémente la variable slope en fonction de la différence entre les 2 valeurs. Si run est plus grand que last on incrémente slope car ça signifie que la fréquence de l'oscillateur a augmentée. Au contraire si run est plus petit que last ça signifie que la fréquence à diminuée et donc slope est décrémentée. Si run et last ont la même valeur slope est ramenée à zéro et la tonalité d'alarme est désactivée. Pour que la tonalité d'alarme soit réactivée il faut que la valeur absolue de slope soit égale ou supérieur à la constante TR_LVL. Ce code très simple qui n'occupe que 66 instructions donne de bons résultats.

J'ai testé différentes valeurs pour la durée d'échantillonnage et pour la constante TR_LVL c'est avec ces valeurs que j'obtiens le meilleur résultat.

Technique de balyage

La technique de balayage consiste à tenir le disque de la sonde 1 ou 2 cm au dessus du sol dans le plan horizontal et balayer de gauche à droite ni trop vite ni trop lentement. Avec un peu de pratique on trouve rapidement la bonne vitesse de balayage.

Lorsqu'un objet est détecté il ne faut pas arrêter le balayage de la sonde au dessus de l'objet mais plutôt faire des aller-retour. Un arrêt du balayage permet à l'oscillateur de se stabiliser sur une nouvelle fréquence et donc rend le détecteur silencieux.

Notez que la détection se produit lorsque l'objet est au plus proche du rebord du disque et non en son centre.

Conclusion

De réalisation économique et rapide il ne faut cependant pas s'attendre à ce qu'il est la sensibilité d'un bon détecteur vendu dans le commerce.


  1. sources du projet sur github

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