Пропонований увазі читачів ехолот може бути використаний для визначення рельєфу дна і вимірювання глибини водойм, пошуку затонулих предметів, а також знаходження найбільш перспективних місць для рибної ловлі. Прилад дуже простий у налагодження, зручний в експлуатації і не вимагає калібрування.
Ехолот призначений для вимірювання глибини водойм на чотирьох межах: до 2,5; 5; 12,5 і 25 м. Мінімальна вимірювана глибина - 0,3 м. Похибка показань не перевищує 4 % верхнього значення на будь-якому межі вимірювання. У приладі передбачена тимчасова автоматичне регулювання посилення (ВАРУ), що дозволяє змінювати коефіцієнт посилення його протягом кожного циклу вимірювань від мінімального до максимального і, таким чином, підвищує завадостійкість. Необхідність ВАРУ викликана тим, що будь-яке випромінювання акустичної енергії на воду призводить до інтенсивної реверберації, тобто багаторазового відбиття ультразвукового сигналу від дна і поверхні води. Тому на малих глибинах можуть бути помилкові спрацьовування вузла реєстрації ехосигналів. Завдяки ВАРУ істотно поліпшується робота приладу при вимірюванні глибини в інтервалі 0,3...3 м.
В якості індикатора в эхолоте використовується лінійна шкала глибини, що складається з 26 світлодіодів, на якій може відтворюватись до чотирьох відображених межі вимірювання. Період оновлення інформації на індикаторі - близько 0,1 с, що дозволяє легко відстежувати рельєф дна при русі. Додатково підвищує завадостійкість ехолота програмний імпульсний фільтр, що захищає його від випадкових завад. При включеному фільтрі на індикатор виводяться тільки ті відбиті сигнали, значення яких за період вимірювання (0,1 с) не змінилися більш ніж на 1/50 від включеного межі вимірювання. Живиться прилад від шести елементів А316, причому його працездатність зберігається при зниженні напруги до 6 Ст. Споживаний струм лежить в межах 7...8 мА (без урахування струму через світлодіоди - по 10 мА на кожен горить світлодіод).
У эхолоте передбачена можливість оперативного перемикання меж вимірювання, числа діагностуємих відображень, а також регулювання ефективності ВАРУ. Імпульсний фільтр може бути відключений. Значення всіх параметрів можуть зберігатися в пам'яті в режимі зниженого енергоспоживання ("SLEEP"). У цьому режимі споживаний приладом струм складає близько 70 мкА, що практично не позначається на терміні служби елементів живлення.
Ехолот складається з чотирьох функціонально закінчених вузлів: генератора зондувальних імпульсів, приймача, блоку управління і блоку індикації (рис. 1).
Принципова схема генератора зондуючих імпульсів показана на рис. 2.
Задає імпульсний генератор зібраний на мікросхемі DD1. Він генерує імпульси частотою 600 кГц, яка потім ділиться на два тригером на мікросхемі DD2. На мікросхемі DD3 зібраний буферний каскад, узгоджувальний тригер з підсилювачем потужності, виконаним за двотактною схемою на складених транзисторах VT1, VT2 і трансформаторі Т1. З його вторинної обмотки електричні коливання частотою 300 кГц надходять на п'єзокерамічні випромінювач - датчик BQ1 і у вигляді ультразвукових посилок випромінюються в навколишнє середовище. Робота генератора дозволяється при наявності рівня логічного нуля на висновках 12, 13 мікросхеми DD1 і 4, 6 мікросхеми DD2.
Дозволяє імпульс тривалістю 50 мкс приходить на генератор на початку кожного циклу вимірювання з пристрою керування (рис. 3). Всі сигнали, необхідні для роботи приладу, формують однокристальний мікроконтролер DD1 (АТ89С2051). Машинні коди керуючої програми, розміщеної у внутрішній пам'яті програм мікроконтролера, наведені в таблиці.
(натисніть для збільшення)
Контрольні суми підраховані за алгоритмом "Радіо 86РК". На транзисторах VT1-VT4 стабілізатор виконаний на напругу 5 Ст. Його характерні риси - невеликий споживаний струм - 25 мкА і мале падіння напруги на регулюючому транзисторі - менше 1 Ст. Транзистор VT5 відключає живлення від приймача в режимі "SLEEP", що, як зазначалося вище, знижує споживаний струм.
Відбитий від дна імпульсний сигнал приймається у проміжку між посилками випромінювачем-датчиком і подається на вхід приймача (рис. 4), де посилюється трехкаскадным резонансним підсилювачем на транзисторах VT1, VT2, VT4-VT7, після чого детектується діодами VD4, VD5. Тригер Шмітта на транзисторах VT8, VT9 формує стандартні логічні рівні. Діоди VD1, VD2 захищають вхід приймача від перевантаження. Транзистор VT3 виконує функції керуючого елемента ВАРУ, змінює в широких межах коефіцієнт посилення каскаду на транзисторах VT1, VT2.
Форма керуючого напруги на конденсаторі С1 при максимальній ефективності ВАРУ показана на рис. 5.
Тривалість зарядки конденсатора визначається постійної часу ланцюга R2C1, а нижній рівень напруги - опором резистора R4 і тривалістю розрядного імпульсу з пристрою 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 Р3.2 мікроконтролера DD1 пристрої управління для подальшої обробки.
Схема вузла індикації наведена на рис. 6. Він являє собою 32-розрядний сдвиговый регістр на чотирьох мікросхемах DD1-DD4 (К561ИР2) з емітерний повторювачами на виході.
Резистори R1-R30 задають струм 10 мА через світлодіоди HL1-HL30. При такому струмі індикатор добре видно в будь-яку погоду. Останні два розряду мікросхеми DD4 не використовуються. Світлодіоди HL1-HL26 утворюють основну шкалу індикатора, а HL27-HL30 индицируют межа виміру, кількість діагностуємих відбиттів і включення імпульсного фільтра перешкод. Їх розміщення на передній панелі показано на рис. 7.
Кнопки SB1-SB4 (див. рис. 1) також виведені на передню панель, з їх допомогою оперативно змінюють режими роботи ехолота.
Конструкцію ультразвукового випромінювача-датчика пояснює рис. 8. Він представляє собою круглу пластину 1 діаметром 31 і товщиною 6 мм з п'єзокераміки ЦТС-19 с резонансною частотою 300 кГц. До посрібленим площинах пластини сплавом Вуда припаюють за три відрізка провід МГТФ-0,1. Місця пайок повинні знаходитися у краї пластини і розташовуватися по колу рівномірно.
Датчик збирають в алюмінієвому склянці 3 від оксидного конденсатора діаметром близько 40 і завдовжки 30...40 мм. В центрі дна склянки свердлять отвір під штуцер 5, через який входить гнучкий коаксіальний кабель 6 довжиною 1...2,5 м, з'єднує датчик з ехолотом. Пластину датчика приклеюють до диска з м'якою мікропористої гуми 2 товщиною 5...10 мм і діаметром, рівним діаметру пластини. Припаяні до пьезоэлементу висновки збирають у палять так, щоб його вісь збігалася з віссю п'єзоелемента.
При монтажі оплетку кабелю припаюють до штуцера, центральний провідник - до висновків обкладки датчика, приклеєною до гумовому диску, висновки інший обкладки - до обплетенні кабелю. Технологічні стійки 4 фіксують положення пластини таким чином, щоб її поверхня була заглиблена в склянку на 2 мм нижче його кромки. Стакан закріплюють строго вертикально і заливають до краю епоксидною смолою. При цьому потрібно стежити, щоб у ній не було повітряних бульбашок.
У эхолоте використані широко поширені деталі. Котушка L1 генератора намотана на каркасі діаметром 5 мм з подстроечником 1000НН. Вона містить 110 витків дроту ПЕВ 0,12. Трансформатор Т1 виконаний на кільцевому магнітопроводі К16х8х6 мм з фериту М1000НМ. Первинна обмотка намотана в два дроти і містить 2х20, вторинна - 150 витків дроту ПЕВ 0,21. Між обмотками прокладений шар лакотканини. Котушки приймача намотані на каркасах від контурів ПЧ (465 кГц) кишенькових приймачів. Контурні котушки L1, L3, L5 містять по 90, а котушки зв'язку L2, L4 - по 10 витків дроту ПЕВ 0,12. Можна використовувати і готові контури ПЧ від кишенькових приймачів 70 - 80-х років, підібравши конденсатори для отримання резонансної частоти 300 кГц.
Конденсатори С1, С2 генератора і С5, С9, С13 приймача повинні мати малий ТКЄ (не гірше М75), підійдуть, наприклад, конденсатори КСВ-Р, КМ-5, КМ-6. Конденсатор С1 приймача - К73-17. Світлодіоди індикатора HL1-HL30 червоного світіння прямокутної форми, наприклад КИПМ01Б-1К. Польові транзистори VT2, VT4 стабілізатора (див. рис. 3) - КП303, КП307 з будь-яким буквеним індексом, але з напругою відсічення не більше 2 Ст. Мікроконтролер АТ89С2051 можна замінити на АТ89С51 або 87С51. При цьому необхідно врахувати розходження в нумерації висновків. Вітчизняним аналогом 87С51 є КР1830ВЕ751. Застосування мікроконтролера КР1830ВЕ31 із зовнішньою пам'яттю програм недоцільно, так як це суттєво збільшить споживаний струм і габарити приладу. Детально ознайомитися з внутрішньою структурою і системою команд мікроконтролера можна в [1]. До решти деталей особливих вимог не пред'являється.
Всі блоки ехолота можуть бути змонтовані на одній або декількох друкованих платах, розміри і конфігурація яких визначаються розмірами наявного в наявності корпусу, а також застосовуваними деталями. Приймач бажано змонтувати на окремій платі "в лінійку" і розмістити в корпусі по можливості далі від пристрої управління. Для зменшення нагрівання прямими сонячними променями корпус повинен бути світлим.
Налагодження ехолота починають з встановлення на виході стабілізатора пристрої управління напруги +5 Ст. Роблять це з допомогою резистора R5. При цьому мікросхему DD1 слід вийняти з панельки. Після установки мікроконтролера на місце необхідно переконатися в працездатності пристрою управління і вузла індикації.
Після включення живлення на індикаторі повинен світитися один з світлодіодів додаткової шкали (HL27-HL30), індиціюється межа виміру. Натискаючи на кнопки SB2 "Вгору" і SB3 "Вниз", можна змінювати межі вимірювання. Одноразове натискання на кнопку SB4 "Вибір" перемикає прилад в режим установки числа діагностуємих відбиттів. Аналогічно, натискаючи на кнопки SB2 і SB3, можна змінювати це число від 1 до 4, що відображається на шкалі миготливим світлодіодом меж. При наступному натисканні на кнопку SB4 включається режим установки ступеня ВАРУ, що також регулюється кнопками SB2 або SB3 і відображається миготливим світлодіодом на основній шкалі глибини. Натиснувши на кнопку SB4 ще раз, можна вимкнути або включити імпульсний фільтр перешкод також за допомогою кнопки SB2 і SB3 відповідно. Нарешті, четверте натискання на кнопку SB4 повертає прилад в основний режим перемикання меж.
У всіх режимах на індикаторі глибини будуть відтворюватись відбиті 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 протягом приблизно 2 с. Після цього індикатор гасне і прилад переходить в режим зниженого енергоспоживання "SLEEP". Вихід з цього режиму відбувається при натисканні кнопки SB1 "Скидання". Однак, якщо натиснути SB1 в робочому режимі, відбудеться скидання всіх параметрів у вихідне, записаний в ПЗП стан.
Переконавшись у справній роботі мікроконтролера, переходять до налагодження генератора зондувальних імпульсів. Спочатку необхідно з допомогою осцилографа переконатися в наявність негативного імпульсу тривалістю 50 мкс з періодом 100 мс на виведення Р1.0 мікроконтролера. Потім осцилограф підключають паралельно випромінювачу-датчику і спостерігають формуються зондувальні імпульси. Їх амплітуда може досягати 100 Ст. Опустивши випромінювач в посудину з водою глибиною не менше 40 см, можна спостерігати і відбиті імпульси. Обертаючи підстроєчник котушки L1, слід налаштувати генератор на резонансну частоту випромінювача, орієнтуючись по максимальної амплітуди відбитих імпульсів. Амплітуда першого з них може досягати 5...10 Ст. Амплітуда ж зондувального імпульсу практично не залежить від частоти.
Налагодження приймача починають з встановлення режимів транзисторів по постійному струму згідно із зазначеними на принциповій схемі.
Цю операцію слід проводити при вийнятому з панельки мікроконтролері. При необхідність режими можна підкоригувати резисторами дільників в базовій ланцюги транзисторів.
Потім необхідно налаштувати резонансні контури на частоту генератора. Для цього знаходиться в повітряному середовищі випромінювач розташовують на відстані 15...20 см від будь-які перешкоди і з допомогою осцилографа налаштовують контури максимальній амплітуді імпульсів на колекторах VT1, VT4, VT6. При цьому необхідно враховувати, що діаграма спрямованості випромінювача в повітрі дуже вузька.
По мірі настройки слід підвищувати ефективність ВАРУ або збільшувати відстань до перешкоди, щоб уникнути обмеження сигналу. Остаточно контури підлаштовують, спостерігаючи сигнал після детектора в точці з'єднання елементів R21, C17, C18. Нарешті, підключивши осцилограф до колектора транзистора VT9, підлаштування резистором R22 встановлюють поріг спрацьовування тригера Шмітта, домагаючись максимальної чутливості і відсутність помилкових спрацьовувань. Чутливість приймача - близько 15 мкВ.
Роботу ВАРУ контролюють, спостерігаючи форму напруги на конденсаторі С1 приймача. При необхідності вона може бути змінена підбором номіналів елементів R4 і C1.
З теорією і практикою вимірювання глибини водойм ультразвуковим ехолотом можна ознайомитися у наведеній нижче літературі [2-7].
Література
Автор: І. Хлюпін, р. Долгопрудний Московської обл.