Ехолот

Пропонований ехолот може бути використаний на аматорських судах для вимірювання глибини водойм, для пошуку затонулих предметів, а також при інших роботах на воді, пов'язаних з необхідністю знати рельєф дна і глибину. Риболови ж з його допомогою легко зможуть відшукати найбільш перспективні місця вудіння риби.

Опис цього приладу було опубліковано в журналі "Радіо № 3" за 1999 рік, він пройшов досвідчені випробування в сезон 1998 і 1999 року в річковий та морський воді. Ехолот вимірює глибину водоймищ на чотирьох межах: до 2,5; 5; 12,5 і 25 метрів. Мінімальна вимірювана глибина – 0,3 м. Похибка не більше 4% від верхньої межі на кожному діапазоні.

Передбачена тимчасова автоматичне регулювання посилення (вару), що змінює коефіцієнт посилення протягом кожного циклу від мінімального до максимального, що підвищує завадостійкість приладу.

Як індикатор використовується лінійна шкала глибини з 26 світлодіодів, на якій може відтворюватись до чотирьох відбитих сигналів та допоміжна шкала з 4-х світлодіодів, що відображає межа виміру. Період оновлення інформації на індикаторі близько 0,1 сек, що дозволяє легко відслідковувати рельєф дна. Додатково підвищує завадостійкість, захищаючи від випадкових перешкод, програмно реалізований імпульсний фільтр. Харчування ехолота здійснюється від 6 елементів типу A316 загальним напругою 9 В. Працездатність приладу зберігається при зниженні напруги до 6 В, споживаний струм не перевищує (7 … 8) Ма + 10 Ма на кожен палаючий світлодіод, в середньому при вимірі близько 30 Ма.

Ехолот вельми простий у налагодженні і зручний в експлуатації, не вимагає калібрування. Передбачена можливість оперативного перемикання межі вимірювання, кількості яку вказують віддзеркалень а також регулювання ефективності вару. Імпульсний фільтр при необхідності може бути відключений. Значення всіх параметрів можуть зберігатися в пам'яті в режимі зниженого енергоспоживання (SLEEP). У цьому режимі споживаний струм складає близько 70 мкА, що практично не позначається на терміні служби елементів живлення.

Прилад складається з 4-х функціонально закінчених блоків: генератора зондуючих імпульсів, приймача, блоку управління і блоку індикації.

Генератор імпульсів

Принципова схема генератора зондуючих імпульсів показана на рис. 1. На мікросхемі DD1 зібраний задає імпульсний генератор на частоту 600 Кгц, яка потім ділиться на 2 тригером на елементі DD2. Підсилювач потужності випромінюваного сигналу виконаний за двотактної схемою на складових транзисторах VT1, VT2 і трансформаторі T1, з вторинної обмотки якого електричні коливання частотою 300 КГц подаються на п'єзокерамічних випромінювач – датчик і у вигляді ультразвукових посилок випромінюються у зовнішнє середовище. Робота генератора дозволяється за наявності рівня логічного нуля на висновках 12, 13 DD1 і 4, 6 DD2.

Блок управління

Дозволяючий імпульс тривалістю 50 мкс надходить на генератор на початку кожного циклу вимірювання з блоку управління. Його схема показана на рис. 2. Основа блоку – однокристальний мікроконтроллер AT89C2051, який формує всі сигнали, необхідні для роботи приладу. На транзисторах VT1 … VT4 зібраний стабілізатор напруги 5 В. Його характерні особливості – дуже малий власний споживаний струм – 25 мкА і мале падіння напруги на регулюючому транзисторі – менше 1 В. Транзистор VT5 відключає живлення від приймача в режимі "SLEEP", знижуючи споживаний струм.

Приймач

Відбитий від дна сигнал приймається у проміжку між посилками випромінювачем – датчиком і подається на вхід приймача (мал. 3). Імпульс посилюється трехкаскадним резонансним підсилювачем на VT1, VT2, VT4 … VT7 і детектується VD4, VD5. Тригер Шмітта на VT8, VT9 формує стандартні логічні рівні. Діоди VD1, VD2 захищають вхід приймача від перевантаження. Транзистор VT3 – керуючий елемент вару, змінює в широких межах коефіцієнт посилення першого каскаду.

Форма керуючого напруги на конденсаторі C1 при максимальній ефективності вару показана на рис. 8. Загальна тривалість заряду конденсатора визначається постійною часу R2 C1, а нижній рівень напруги – Номіналом R4 і тривалістю розрядного імпульсу з блоку управління, яка може змінюватися від 0 до 1,25 Мс. Відповідно змінюється і ефективність вару, що дозволяє оперативно коригувати чутливість ехолота для конкретних умов роботи. З колектора VT9 сформований відбитий імпульс подається на висновок P3.2 мікроконтролера DD1 блоку керування для подальшої обробки.

Блок індикації

Схема блоку індикації показана на рис. 4. Він являє собою 32-х розрядний зсувний регістр на 4-х мікросхемах типу К561ІР2 з емітерний повторювачами на виході. Резистори R1 … R30 задають ток через світлодіоди 10 Ма. При такому струмі індикатор добре видно в будь-яку погоду. Останні 2 розряду DD4 не використовуються. Світлодіоди HL1 … HL26 утворюють основну шкалу індикатора, а HL27 … HL30 індиціюється межа виміру, кількість яку вказують відбиттів і включення імпульсного фільтра перешкод. Їх розміщення на передній панелі зображено на рис. 6.

Схема міжблокових з'єднань приладу показана на мал. 5.

Схема з'єднань

Кнопки SB1 … SB4 також виведені на передню панель, з їх допомогою здійснюється оперативне зміна режимів роботи ехолота.

Передня панель

Випромінювач

U C1

Конструкція ультразвукового випромінювача – датчика зрозуміла з рис. 7. Він виготовлений на основі круглої пластини 1 діаметром 31 мм і товщиною 6 мм з п'єзокераміки ЦТС-19 з резонансною частотою 300 Кгц. До її посрібленим площинах сплавом Вуда припаюють по 3 відрізка проводу МГТФ-0, 1 або 0,14. Місця пайок повинні бути біля краю пластини і розташовуватися по колу рівномірно.

Датчик збирають в алюмінієвому склянці 3 від оксидного конденсатора діаметром близько 40 мм і довжиною 30 … 40 мм. У центрі дна склянки свердлять отвір під штуцер 5, через який входить гнучкий коаксіальний кабель 6 довжиною 1 … 2,5 м, що сполучає датчик з ехолотом. Пластину датчика приклеюють до диску з м'якої гуми мікропористої 2 товщиною 5 … 10 мм і діаметром, рівним діаметру пластини. Припаяні до пьезоелемент висновки збирають у косу так, щоб її вісь збігалася з віссю пьезоэлемента.

При монтажі оплетку кабелю припаюють до штуцера, центральний провідник – до висновків обкладки датчика, приклеєною до гумового диска, висновки другий обкладки – до оплетке кабелю. Технологічні стійки 4 фіксують положення пластини таким чином, щоб її поверхня була заглиблена в стакан на 2 мм нижче його кромки. Стакан закріплюють строго вертикально і заливають до краю епоксидної смолою. При цьому потрібно стежити, щоб у ній не було повітряних бульбашок.

У конструкції ехолота використані широко поширені деталі. Котушка L1 генератора намотана на каркасі діаметром 5 мм з подстроечніком Ф-600. Вона містить 110 витків дроту ПЕВ 0,12 мм. Трансформатор T1 намотаний на сердечнику K16x8x6 мм з фериту М1000НМ. Первинна обмотка намотується в 2 проводи й містить 2×20 витків, вторинна – 150 витків дроту ПЕВ 0,21 мм. Тим обмотками необхідно прокласти шар Лакотканини. Котушки приймача намотані на каркасах від контурів ПЧ 465 Кгц кишенькових приймачів. Контурні котушки L1, L3, L5 містять по 90 витків, а котушки зв'язку L2 і L4 по 10 витків дроту ПЕВ 0,12 мм. Можна використовувати і готові контуру від кишенькових приймачів 70-х – 80-х років, підібравши конденсатори для отримання резонансної частоти 300 Кгц.

Конденсатори C1, C2 генератора і C5, C9, C13 приймача повинні бути з малим ТКЕ, групи не гірше M75, наприклад КСВ-Г. C1 приймача типу К73-17. Світлодіоди індикатора HL1 … HL30 червоного кольору світіння прямокутної форми, наприклад типу КІПМ01Б-1K. Польові транзистори VT2, VT4 стабілізатора (рис. 2) типу КП303, КП307 з будь-яким буквеним індексом, але з напругою відсічення не більше 2 В. Мікроконтролер AT89C2051 можна замінити на AT89C51 або 87C51. При цьому необхідно врахувати відмінності в нумерації висновків. До решти деталей особливих вимог не висувають.

Всі блоки приладу змонтовані на одній або кількох друкованих платах, розміри і конфігурація яких визначаються розмірами наявного корпусу, а також типом застосовуваних деталей, тому не наводяться. Приймач бажано змонтувати на окремій платі «в лінійку» і розмістити в корпусі по можливості далі від блоку управління. Для зменшення нагрівання прямими сонячними променями корпус повинен бути світлого кольору.

Налагодження ехолота починають з установки на виході стабілізатора блоку управління напруги +5 В за допомогою резистора R5. При цьому DD1 слід вийняти з панельки. Після установки мікроконтролера на місце необхідно переконатися в працездатності блоку управління і блоку індикації.

Після включення живлення на індикаторі світиться один з світлодіодів додаткової шкали (HL27. .. HL30), індиціюється межа вимірювання. Натискаючи на кнопки SB2 «UP» і SB3 «DOWN» можна перемикати межі. Одноразове натиснення на кнопку SB4 «SELECT» перемикає прилад у режим установки кількості яку вказують віддзеркалень. Аналогічно, натискаючи SB2 та SB3, можна змінювати їх кількість від 1 до 4. Це індиціюється миготливим світлодіодом на шкалі меж. При наступному натисканні кнопки «SELECT» включається режим установки ступеня вару, яка також встановлюється SB2 або SB3 і індиціюється миготливим світлодіодом на основній шкалі глибини. Натиснувши «SELECT» ще раз можна вимкнути або включити імпульсний фільтр перешкод також за допомогою SB2 та SB3 відповідно. Нарешті, четверте натискання «SELECT» повертає прилад в основний режим перемикання меж.

У всіх режимах на індикаторі глибини будуть відтворюватись відображені імпульси (якщо вони є), причому, якщо глибина більше встановленої межі, в основному режимі буде блимати останній світлодіод індикатора глибини – HL26. Для запам'ятовування вибраних режимів слід натиснути і утримувати кнопку SB4 «SELECT» протягом приблизно 2 сек. Після цього індикатор гасне і пристрій переходить в режим зниженого енергоспоживання "SLEEP". Вихід з цього режиму відбувається при натисканні SB1 «RESET». Однак, якщо натиснути SB1 в робочому режимі, відбудеться скидання всіх параметрів у вихідне, записане в ПЗУ стан.

Переконавшись у справній роботі мікроконтролера, переходять до налагодження генератора зондуючих імпульсів. Спочатку необхідно за допомогою осцилографа переконатися в наявності негативного імпульсу тривалістю 50 мкс з періодом 100 Мс на виведення P1.0 мікроконтролера. Потім осцилограф підключають паралельно випромінювача – датчику і спостерігають формуються зондуюче імпульси. Їх амплітуда може досягати 100 у. Опустивши випромінювач у посудину з водою глибиною не менше 40 см можна спостерігати й відбиті імпульси. Обертаючи підлаштування сердечник L1 слід налаштувати генератор на резонансну частоту випромінювача орієнтуючись за максимальною амплітудою відбитих імпульсів. Амплітуда першого з них може досягати 5 … 10 В. Амплітуда ж зондуючого імпульсу практично не залежить від частоти.

Наладку приймача починають з перевірки режимів транзисторів по постійному струму, зазначених на принциповій схемі. Цю операцію слід проводити при вийнятому з панельки мікроконтролері. При необхідності режими можна підкоригувати резисторами дільників в базовій ланцюга транзисторів.

Потім необхідно налаштувати резонансні контуру на частоту генератора. Для цього випромінювач в повітрі розташовують на відстані 15 … 20 см від будь – які перешкоди і за допомогою осцилографа налаштовують контуру за максимальною амплітудою імпульсів на колекторах VT1, VT4, VT6. При цьому необхідно враховувати, що діаграма спрямованості випромінювача в повітрі дуже вузька.

У міру налаштування слід збільшувати ефективність вару або збільшувати відстань до перешкоди, щоб уникнути обмеження сигналу. Остаточно контуру підлаштовують, спостерігаючи сигнал після детектора в точці з'єднання R21, C17, C18. Нарешті, переключивши осцилограф на колектор VT9, підлаштування резистором R22 встановлюють поріг спрацьовування тригера Шмітта, домагаючись максимальної чутливості і відсутності помилкових спрацьовувань. Чутливість приймача – близько 15 мкВ.

Роботу вару контролюють, спостерігаючи форму напруги на конденсаторі C1 приймача. За необхідності вона може бути змінена підбором номіналів R4 і C1.

З теорією і практикою вимірювання глибини водойм ультразвуковим ехолотом можна ознайомитися в приводиться нижче літературі.

Джерело матеріалу

Якщо з'явилися питання, загляньте на сторінку FAQ джерела матеріалу.

Програма для AT89C2051 eho.zip або з нашого сайту eho.zip .

Друковані плати plt_eho.zip 370кб , Розроблені Максимом < mailto: maksim_belousov@mail.ru > Або з нашого сайту plt_eho.zip .

Література:

  • І. Піднімаючи. Ехолот спортсмена – підводника .- Радіо, 1993, № 2, стор 7-9.
  • В. Войцехович, В. Федорова. Ехолот рибалки – любителя .- Радіо, 1988, № 10, стор 32-36.
  • В. Тимофеєв. Ехолот. СБ: На допомогу радіоаматори, вип. 92, стор 23-41 – М.: ДОСААФ, 1986.
  • А. Владимиров, Л. Корлякова. Любительський ехолот «Пошук». СБ: На допомогу радіоаматори, вип. 80, стор 47-57. – М.: ДОСААФ, 1983.
  • В. Бокітько, Д. Бокітько. Портативний ехолот .- Радіо, 1981, № 10, стор 23-25.
  • А. Кравченко. Транзисторний ехолот .- Радіо, 1973, № 12, стор 15-16.

Зв'язатися з автором матеріалу:

mailto: ra4nalr@write.kirov.ru? subject = Ехолот

www.kirov.ru/ ~ ra4nalr

610016 Росія, г.Кіров-16, а / с 1906 Хлюпін Микола Петрович

© 1997-2000р. Відтворення матеріалів сайту у будь-якому вигляді лише за згодою автора.