Предлагаемый вниманию читателей эхолот может быть использован для определения рельефа дна и измерения глубины водоемов, поиска затонувших предметов, а также нахождения наиболее перспективных мест для рыбной ловли. Прибор весьма прост в наладке, удобен в эксплуатации и не требует калибровки.
Эхолот предназначен для измерения глубины водоемов на четырех пределах: до 2,5; 5; 12,5 и 25 м. Минимальная измеряемая глубина - 0,3 м. Погрешность показаний не превышает 4 % верхнего значения на любом пределе измерения. В приборе предусмотрена временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ), позволяющая изменять коэффициент его усиления в течение каждого цикла измерений от минимального до максимального и, таким образом, повышающая помехоустойчивость. Необходимость ВАРУ вызвана тем, что любое излучение акустической энергии в воду приводит к интенсивной реверберации, т. е. многократному отражению ультразвукового сигнала от дна и поверхности воды. Поэтому на малых глубинах могут быть ложные срабатывания узла регистрации эхосигналов. Благодаря ВАРУ существенно улучшается работа прибора при измерении глубины в интервале 0,3...3 м.
В качестве индикатора в эхолоте используется линейная шкала глубины, состоящая из 26 светодиодов, на которой может индицироваться до четырех отраженных пределы измерения. Период обновления информации на индикаторе - около 0,1 с, что позволяет легко отслеживать рельеф дна при движении. Дополнительно повышает помехоустойчивость эхолота программный импульсный фильтр, защищающий его от случайных помех. При включенном фильтре на индикатор выводятся только те отраженные сигналы, значения которых за период измерения (0,1 с) изменились не более чем на 1/50 от включенного предела измерения. Питается прибор от шести элементов А316, причем его работоспособность сохраняется при снижении напряжения до 6 В. Потребляемый ток лежит в пределах 7...8 мА (без учета тока через светодиоды - по 10 мА на каждый горящий светодиод).
В эхолоте предусмотрена возможность оперативного переключения предела измерения, числа индицируемых отражений, а также регулировка эффективности ВАРУ. Импульсный фильтр при необходимости может быть отключен. Значения всех параметров могут сохраняться в памяти в режиме пониженного энергопотребления ("SLEEP"). В этом режиме потребляемый прибором ток составляет около 70 мкА, что практически не сказывается на сроке службы элементов питания.
Эхолот состоит из четырех функционально законченных узлов: генератора зондирующих импульсов, приемника, блока управления и блока индикации (рис. 1).
Принципиальная схема генератора зондирующих импульсов показана на рис. 2.
Задающий импульсный генератор собран на микросхеме DD1. Он генерирует импульсы частотой 600 кГц, которая затем делится на два триггером на микросхеме DD2. На микросхеме DD3 собран буферный каскад, согласующий триггер с усилителем мощности, выполненным по двухтактной схеме на составных транзисторах VT1, VT2 и трансформаторе Т1. С его вторичной обмотки электрические колебания частотой 300 кГц поступают на пьезокерамический излучатель - датчик BQ1 и в виде ультразвуковых посылок излучаются во внешнюю среду. Работа генератора разрешается при наличии уровня логического нуля на выводах 12, 13 микросхемы DD1 и 4, 6 микросхемы DD2.
Разрешающий импульс длительностью 50 мкс приходит на генератор в начале каждого цикла измерения с устройства управления (рис. 3). Все сигналы, необходимые для работы прибора, формируют однокристальный микроконтроллер DD1 (АТ89С2051). Машинные коды управляющей программы, размещенной во внутренней памяти программ микроконтроллера, приведены в таблице.
(нажмите для увеличения)
Контрольные суммы подсчитаны по алгоритму "Радио-86РК". На транзисторах VT1-VT4 выполнен стабилизатор на напряжение 5 В. Его характерные особенности - небольшой потребляемый ток - 25 мкА и малое падение напряжения на регулирующем транзисторе - менее 1 В. Транзистор VT5 отключает питание от приемника в режиме "SLEEP", что, как указывалось выше, снижает потребляемый ток.
Отраженный от дна импульсный сигнал принимается в промежутке между посылками излучателем-датчиком и подается на вход приемника (рис. 4), где усиливается трехкаскадным резонансным усилителем на транзисторах VT1, VT2, VT4-VT7, после чего детектируется диодами VD4, VD5. Триггер Шмитта на транзисторах VT8, VT9 формирует стандартные логические уровни. Диоды VD1, VD2 защищают вход приемника от перегрузки. Транзистор VT3 выполняет функции управляющего элемента ВАРУ, изменяющего в широких пределах коэффициент усиления каскада на транзисторах VT1, VT2.
Форма управляющего напряжения на конденсаторе С1 при максимальной эффективности ВАРУ показана на рис. 5.
Длительность зарядки конденсатора определяется постоянной времени цепи R2C1, а нижний уровень напряжения - сопротивлением резистора R4 и длительностью разрядного импульса с устройства управления, которая может изменяться от 0 до 1,25 мс. Соответственно изменяется и эффективность ВАРУ, что позволяет оперативно корректировать чувствительность эхолота для конкретных условий работы. С коллектора VT9 сформированный отраженный импульс подается на вывод Р3.2 микроконтроллера DD1 устройства управления для дальнейшей обработки.
Схема узла индикации показана на рис. 6. Он представляет собой 32-разрядный сдвиговый регистр на четырех микросхемах DD1-DD4 (К561ИР2) с эмиттерными повторителями на выходе.
Резисторы R1-R30 задают ток 10 мА через светодиоды HL1-HL30. При таком токе индикатор хорошо виден в любую погоду. Последние два разряда микросхемы DD4 не используются. Светодиоды HL1-HL26 образуют основную шкалу индикатора, а HL27-HL30 индицируют предел измерения, число индицируемых отражений и включение импульсного фильтра помех. Их размещение на передней панели показано на рис. 7.
Кнопки SB1-SB4 (см. рис. 1) также выведены на переднюю панель, с их помощью оперативно изменяют режимы работы эхолота.
Конструкцию ультразвукового излучателя-датчика поясняет рис. 8. Он представляет собой круглую пластину 1 диаметром 31 и толщиной 6 мм из пьезокерамики ЦТС-19 с резонансной частотой 300 кГц. К посеребренным плоскостям пластины сплавом Вуда припаивают по три отрезка провода МГТФ-0,1. Места паек должны находиться у края пластины и располагаться по ее окружности равномерно.
Датчик собирают в алюминиевом стакане 3 от оксидного конденсатора диаметром около 40 и длиной 30...40 мм. В центре дна стакана сверлят отверстие под штуцер 5, через который входит гибкий коаксиальный кабель 6 длиной 1...2,5 м, соединяющий датчик с эхолотом. Пластину датчика приклеивают к диску из мягкой микропористой резины 2 толщиной 5...10 мм и диаметром, равным диаметру пластины. Припаянные к пьезоэлементу выводы собирают в жгут так, чтобы его ось совпадала с осью пьезоэлемента.
При монтаже оплетку кабеля припаивают к штуцеру, центральный проводник - к выводам обкладки датчика, приклеенной к резиновому диску, выводы другой обкладки - к оплетке кабеля. Технологические стойки 4 фиксируют положение пластины таким образом, чтобы ее поверхность была углублена в стакан на 2 мм ниже его кромки. Стакан закрепляют строго вертикально и заливают до края эпоксидной смолой. При этом нужно следить, чтобы в ней не было воздушных пузырьков.
В эхолоте использованы широко распространенные детали. Катушка L1 генератора намотана на каркасе диаметром 5 мм с подстроечником 1000НН. Она содержит 110 витков провода ПЭВ 0,12. Трансформатор Т1 выполнен на кольцевом магнитопроводе К16х8х6 мм из феррита М1000НМ. Первичная обмотка намотана в два провода и содержит 2х20, вторичная - 150 витков провода ПЭВ 0,21. Между обмотками проложен слой лакоткани. Катушки приемника намотаны на каркасах от контуров ПЧ (465 кГц) карманных приемников. Контурные катушки L1, L3, L5 содержат по 90, а катушки связи L2 и L4 - по 10 витков провода ПЭВ 0,12. Можно использовать и готовые контуры ПЧ от карманных приемников 70 - 80-х годов, подобрав конденсаторы для получения резонансной частоты 300 кГц.
Конденсаторы С1, С2 генератора и С5, С9, С13 приемника должны иметь малый ТКЕ (не хуже М75), подойдут, например, конденсаторы КСО-Г, КМ-5, КМ-6. Конденсатор С1 приемника - К73-17. Светодиоды индикатора HL1-HL30 красного свечения прямоугольной формы, например КИПМ01Б-1К. Полевые транзисторы VT2, VT4 стабилизатора (см. рис. 3) - КП303, КП307 с любым буквенным индексом, но с напряжением отсечки не более 2 В. Микроконтроллер АТ89С2051 можно заменить на АТ89С51 или 87С51. При этом необходимо учесть различия в нумерации выводов. Отечественным аналогом 87С51 является КР1830ВЕ751. Применение микроконтроллера КР1830ВЕ31 с внешней памятью программ нецелесообразно, так как это существенно увеличит потребляемый ток и габариты прибора. Подробно ознакомиться с внутренней структурой и системой команд микроконтроллера можно в [1]. К остальным деталям особых требований не предъявляется.
Все блоки эхолота могут быть смонтированы на одной или нескольких печатных платах, размеры и конфигурация которых определяются размерами имеющегося в наличии корпуса, а также применяемыми деталями. Приемник желательно смонтировать на отдельной плате "в линейку" и разместить в корпусе по возможности дальше от устройства управления. Для уменьшения нагрева прямыми солнечными лучами корпус должен быть светлым.
Налаживание эхолота начинают с установки на выходе стабилизатора устройства управления напряжения +5 В. Делают это с помощью резистора R5. При этом микросхему DD1 следует вынуть из панельки. После установки микроконтроллера на место необходимо убедиться в работоспособности устройства управления и узла индикации.
После включения питания на индикаторе должен светиться один из светодиодов дополнительной шкалы (HL27-HL30), индицирующий предел измерения. Нажимая на кнопки SB2 "Вверх" и SB3 "Вниз", можно переключать пределы измерения. Однократное нажатие на кнопку SB4 "Выбор" переключает прибор в режим установки числа индицируемых отражений. Аналогично, нажимая на кнопки SB2 и SB3, можно изменять это число от 1 до 4, что индицируется мигающим светодиодом на шкале пределов. При следующем нажатии на кнопку SB4 включается режим установки степени ВАРУ, которая также регулируется кнопками SB2 или SB3 и индицируется мигающим светодиодом на основной шкале глубины. Нажав на кнопку SB4 еще раз, можно выключить или включить импульсный фильтр помех также с помощью кнопок SB2 и SB3 соответственно. Наконец, четвертое нажатие на кнопку SB4 возвращает прибор в основной режим переключения пределов.
Во всех режимах на индикаторе глубины будут индицироваться отраженные импульсы (если они есть), причем, если глубина больше установленного предела, в основном режиме будет мигать последний светодиод индикатора глубины - HL26. Для запоминания выбранных режимов следует нажать и удерживать кнопку SB4 в течение примерно 2 с. После этого индикатор гаснет и прибор переходит в режим пониженного энергопотребления "SLEEP". Выход из этого режима происходит при нажатии кнопки SB1 "Сброс". Однако, если нажать SB1 в рабочем режиме, произойдет сброс всех параметров в исходное, записанное в ПЗУ состояние.
Убедившись в исправной работе микроконтроллера, переходят к наладке генератора зондирующих импульсов. Вначале необходимо с помощью осциллографа убедиться в наличии отрицательного импульса длительностью 50 мкс с периодом 100 мс на выводе Р1.0 микроконтроллера. Затем осциллограф подключают параллельно излучателю-датчику и наблюдают формируемые зондирующие импульсы. Их амплитуда может достигать 100 В. Опустив излучатель в сосуд с водой глубиной не менее 40 см, можно наблюдать и отраженные импульсы. Вращая подстроечник катушки L1, следует настроить генератор на резонансную частоту излучателя, ориентируясь по максимальной амплитуде отраженных импульсов. Амплитуда первого из них может достигать 5...10 В. Амплитуда же зондирующего импульса практически не зависит от частоты.
Налаживание приемника начинают с установки режимов транзисторов по постоянному току в соответствии с указанными на принципиальной схеме.
Эту операцию следует проводить при вынутом из панельки микроконтроллере. При необходимости режимы можно подкорректировать резисторами делителей в базовой цепи транзисторов.
Затем необходимо настроить резонансные контуры на частоту генератора. Для этого находящийся в воздушной среде излучатель располагают на расстоянии 15...20 см от какого-либо препятствия и с помощью осциллографа настраивают контуры по максимальной амплитуде импульсов на коллекторах VT1, VT4, VT6. При этом необходимо учитывать, что диаграмма направленности излучателя в воздухе очень узкая.
По мере настройки следует повышать эффективность ВАРУ или увеличивать расстояние до препятствия, чтобы избежать ограничения сигнала. Окончательно контуры подстраивают, наблюдая сигнал после детектора в точке соединения элементов R21, C17, C18. Наконец, подключив осциллограф к коллектору транзистора VT9, подстроечным резистором R22 устанавливают порог срабатывания триггера Шмитта, добиваясь максимальной чувствительности и отсутствия ложных срабатываний. Чувствительность приемника - около 15 мкВ.
Работу ВАРУ контролируют, наблюдая форму напряжения на конденсаторе С1 приемника. При необходимости она может быть изменена подбором номиналов элементов R4 и C1.
С теорией и практикой измерения глубины водоемов ультразвуковым эхолотом можно ознакомиться в приводимой ниже литературе [2-7].
Литература
Автор: И. Хлюпин, г.Долгопрудный Московской обл.