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

; Copyright 2017 Jacques Deschênes ; This file is part of metal_detector. ; ; metal_detector is free software: you can redistribute it and/or modify ; it under the terms of the GNU General Public License as published by ; the Free Software Foundation, either version 3 of the License, or ; (at your option) any later version. ; ; metal_detector is distributed in the hope that it will be useful, ; but WITHOUT ANY WARRANTY; without even the implied warranty of ; MERCHANTABILITY or FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE. See the ; GNU General Public License for more details. ; ; You should have received a copy of the GNU General Public License ; along with metal_detector. If not, see <http://www.gnu.org/licenses/>. ; ; NAME: metal_dectector ; AUTHOR: Jacques Deschênes ; DESCRIPTION: A simple metal detector designed around a PIC10F322 and a Common base ; Colpitts oscillator running at 460 Khz for the loop dectector. ; The MCU use an external crystal oscillator for stability. ; The output of the Colpitts oscillator drive the T0CKI input and ; TIMER0 is used to count the number of cycles in a fixed interval ; of 32 msec. TIMER2 is used for 2 purposes. First is as a period ; timer for the audio tone generator, using PWM1, which frequency is fixed at 500 Hertz. ; Secondly the output scaler of TIMER2 is set to 16 thus that after 16 audio period ; an interrupt is triggered. Everything append inside the interrupt service ; routine. The value of TMR0 register is compared with the last run value. ; Each time this TMR0>last the slope variable is incremented. Each time ; TMR0<last the slope variable is decremented. If the absolute value of ; slope is >= TR_LVL constant the audio tone is activated. The tone is ; disabled and variable slope reset to 0 each time TMR0==last. ; This simple algorithm requiring only 66 instructions works quite ; well. The dectection loop must be kept in movement because the alogorithm ; check for change in frequency when the sweep is stopped over a detected ; object the oscillator frequency stabilize the detector stop ; sounding. ; ; DATE: 2017-08-07 ; COPYRIGHT: 2017 Jacques Deschênes include p10f322.inc radix dec __config _WDTE_OFF&_FOSC_EC&_MCLRE_ON XOFR equ 143181 ; crystal oscillator frequency Mhz FCY equ XOFR/4 ; 35795 Mhz ; MCU cycle frequency TCY equ 279 ; instrcution cycle in nsec RAM0 equ 64 ; RAM base address RAM_SIZE equ 64 variables udata RAM0 last res 1 ; last TMR0 count copied from variable 'run' at 'save_run'. run res 1 ; current run TMR0 count read at beginning of 'tmr2_isr'. slope res 1 ; direction of change in frequency of detection oscillator. temp res 1 ; temporary working variable w_temp res 1 ; save W register at isr entry s_temp res 1 ; save STATUS register at isr entry ; sound trigger level ; frequency must change in same direction TR_LEVEL times in a row to trigger sound. TR_LVL equ 3 ; MCU reset entry point org 0 goto init ; MCU interrupt service routine entry point. org 4 isr: ; save W and STATUS movwf w_temp swapf STATUS,W movwf s_temp tmr2_isr: bcf PIR1,TMR2IF ; save current value of TMR0 in run movfw TMR0 movwf run ; compare TMR0 with 'last' subwf last skpnz goto null ; TMR0==last skpc goto positive ; TMR0<last negative: decf slope goto check ; TMR0>last positive: incf slope ; compare abs(slope) with TR_LVL check: movfw slope movwf temp btfss temp,7 goto abs ; slope is negative compute its absolute value. comf temp incf temp abs:; temp=abs(slope) ; compare with TR_LVL movlw TR_LVL subwf temp skpc ; slope<TR_LVL no change to sound output goto save_run ; slope>=TR_LVL active sound output bsf PWM1CON,PWM1OE goto save_run null: clrf slope no_sound: ; disable sound when no change in frequency. bcf PWM1CON,PWM1OE ; save last run count ; to compare with TMR0 value in next isr run save_run: movfw run movwf last clrf TMR0 isr_exit: ; restore W and STATUS swapf s_temp,W movwf STATUS swapf w_temp,F swapf w_temp,W retfie ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; ; MCU hardware initialisation ;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;;; init: ; clear RAM movlw RAM0 movwf FSR clear_ram: clrf INDF incf FSR btfss FSR,7 goto clear_ram ;disable all analog inputs clrf ANSELA ; RA0 is audio output bcf TRISA,RA0 ; no pullup on T0CKI bcf WPUA,RA2 ; TIMR0 clocked from T0CKI input. Disable prescaler movlw (1<<PSA)|(1<<T0CS) movwf OPTION_REG ; configuring TMR2 and PWM1 for audio output ; TMR2 trigger an interrupt every 32 msec. ;TMR2 prescale=64, postscale=16 movlw (15<<TOUTPS0)|(3<<T2CKPS0) movwf T2CON ; configure PWM1 for 500 hz 50% duty cycle tone movlw 111 movwf PR2 ; 2 msec period clrc rrf PR2,W movwf PWM1DCH clrf PWM1DCL bsf PWM1CON,PWM1EN bsf PWM1CON,PWM1OE bsf T2CON,TMR2ON ;enable TMR2/PWM1 clock ; enable interrupts bsf PIE1,TMR2IE movlw (1<<PEIE)|(1<<GIE) movwf INTCON ; idle loop everything done in 'isr' routine. goto $ end

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.

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1. sources du projet sur github