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ENCICLOPEDIA DELLA RADIOELETTRONICA ED ELETTRICA Ecoscandaglio. Enciclopedia dell'elettronica radio e dell'ingegneria elettrica
Enciclopedia della radioelettronica e dell'elettrotecnica / Casa, casa, hobby L'ecoscandaglio portato all'attenzione dei lettori può essere utilizzato per determinare la topografia del fondale e misurare la profondità dei bacini idrici, cercare oggetti affondati e anche trovare i luoghi più promettenti per la pesca. Il dispositivo è molto facile da configurare, comodo da usare e non richiede calibrazione. L'ecoscandaglio è progettato per misurare la profondità dei serbatoi a quattro limiti: fino a 2,5; 5; 12,5 e 25 m. La profondità minima misurata è 0,3 m. L'errore delle letture non supera il 4% del valore superiore a qualsiasi limite di misurazione. Il dispositivo è dotato di controllo automatico temporaneo del guadagno (TAG), che consente di modificare il guadagno durante ogni ciclo di misurazione dal minimo al massimo e, quindi, aumenta l'immunità al rumore. La necessità di VARU è causata dal fatto che qualsiasi radiazione di energia acustica nell'acqua porta ad un intenso riverbero, cioè una riflessione ripetuta del segnale ultrasonico dal fondo e dalla superficie dell'acqua. Pertanto, a profondità basse potrebbero verificarsi falsi allarmi dell'unità di registrazione del segnale eco. Grazie al VAG, le prestazioni del dispositivo sono notevolmente migliorate quando si misura la profondità nell'intervallo 0,3...3 m. L'ecoscandaglio utilizza come indicatore una scala di profondità lineare, composta da 26 LED, su cui possono essere visualizzati fino a quattro limiti di misurazione riflessi. Il periodo di aggiornamento delle informazioni sull'indicatore è di circa 0,1 s, il che semplifica il monitoraggio della topografia del fondale durante lo spostamento. Inoltre, l'immunità al rumore dell'ecoscandaglio è migliorata da un filtro a impulsi software che lo protegge da interferenze casuali. Quando il filtro è acceso, l'indicatore visualizza solo i segnali riflessi i cui valori durante il periodo di misurazione (0,1 s) sono cambiati di non più di 1/50 del limite di misurazione incluso. Il dispositivo è alimentato da sei elementi A316 e la sua funzionalità viene mantenuta quando la tensione scende a 6 V. Il consumo di corrente è compreso tra 7 e 8 mA (esclusa la corrente attraverso i LED - 10 mA per ciascun LED acceso ). L'ecoscandaglio offre la possibilità di cambiare rapidamente il limite di misurazione, il numero di riflessioni visualizzate, nonché di regolare l'efficienza del TVG. Se necessario, il filtro impulsi può essere disabilitato. I valori di tutti i parametri possono essere memorizzati in memoria nella modalità "SLEEP". In questa modalità la corrente consumata dal dispositivo è di circa 70 μA, il che non ha praticamente alcun effetto sulla durata delle batterie. L'ecoscandaglio è costituito da quattro unità funzionalmente complete: un generatore di impulsi di sondaggio, un ricevitore, un'unità di controllo e un'unità di indicazione (Fig. 1).
Il diagramma schematico del generatore di impulsi di sondaggio è mostrato in fig. 2.
Il generatore di impulsi principale è assemblato sul chip DD1. Genera impulsi con una frequenza di 600 kHz, che viene poi divisa in due da un trigger sul chip DD2. Il chip DD3 contiene una cascata di buffer che abbina il trigger con un amplificatore di potenza realizzato secondo un circuito push-pull utilizzando transistor compositi VT1, VT2 e trasformatore T1. Dal suo avvolgimento secondario, le vibrazioni elettriche con una frequenza di 300 kHz vengono fornite a un emettitore piezoceramico - il sensore BQ1 e vengono emesse nell'ambiente esterno sotto forma di messaggi ultrasonici. Il funzionamento del generatore è consentito se è presente un livello zero logico sui pin 12, 13 del chip DD1 e 4, 6 del chip DD2. All'inizio di ogni ciclo di misurazione dal dispositivo di controllo arriva al generatore un impulso di abilitazione della durata di 50 μs (Fig. 3). Tutti i segnali necessari per il funzionamento del dispositivo sono generati da un microcontrollore a chip singolo DD1 (AT89C2051). Nella tabella sono riportati i codici macchina del programma di controllo situato nella memoria di programma interna del microcontrollore.
I checksum vengono calcolati utilizzando l'algoritmo Radio-86RK. Sui transistor VT1-VT4 è realizzato uno stabilizzatore per una tensione di 5 V. Le sue caratteristiche sono un piccolo consumo di corrente - 25 μA e una bassa caduta di tensione attraverso il transistor di controllo - inferiore a 1 V. Il transistor VT5 spegne l'alimentazione dal ricevitore nella modalità "SLEEP", che, come indicato sopra, riduce il consumo di corrente.
Il segnale dell'impulso riflesso dal fondo viene ricevuto nell'intervallo tra gli invii dall'emettitore-sensore e alimentato all'ingresso del ricevitore (Fig. 4), dove viene amplificato da un amplificatore risonante a tre stadi utilizzando transistor VT1, VT2, VT4-VT7, dopo di che viene rilevato dai diodi VD4, VD5. Il trigger Schmitt sui transistor VT8, VT9 forma livelli logici standard. I diodi VD1, VD2 proteggono l'ingresso del ricevitore dal sovraccarico. Il transistor VT3 svolge le funzioni di un elemento di controllo VAG, che modifica il guadagno della cascata sui transistor VT1, VT2 su un ampio intervallo.
La forma della tensione di controllo sul condensatore C1 alla massima efficienza del VAG è mostrata in Fig. 5.
La durata della carica del condensatore è determinata dalla costante di tempo del circuito R2C1 e il livello di tensione inferiore è determinato dalla resistenza del resistore R4 e dalla durata dell'impulso di scarica dal dispositivo di controllo, che può variare da 0 a 1,25 ms . Di conseguenza, cambia l'efficienza del TVG, che consente di regolare rapidamente la sensibilità dell'ecoscandaglio per condizioni operative specifiche. Dal collettore VT9, l'impulso riflesso generato viene fornito al pin P3.2 del microcontrollore DD1 del dispositivo di controllo per l'ulteriore elaborazione. Lo schema dell'unità di indicazione è mostrato in Fig. 6. È un registro a scorrimento a 32 bit su quattro microcircuiti DD1-DD4 (K561IR2) con follower di emettitore in uscita.
I resistori R1-R30 impostano una corrente di 10 mA tramite i LED HL1-HL30. Con questa corrente, l'indicatore è chiaramente visibile con qualsiasi tempo. Gli ultimi due bit del chip DD4 non vengono utilizzati. I LED HL1-HL26 costituiscono la scala principale dell'indicatore e HL27-HL30 indicano il limite di misurazione, il numero di riflessioni visualizzate e l'inclusione di un filtro del rumore impulsivo. La loro disposizione sul pannello frontale è mostrata in Fig. 7.
Sul pannello frontale si trovano anche i pulsanti SB1-SB4 (vedi Fig. 1), con il loro aiuto è possibile modificare rapidamente le modalità operative dell'ecoscandaglio. Il design dell'emettitore-sensore ad ultrasuoni è illustrato in Fig. 8. Si tratta di una piastra rotonda 1 con un diametro di 31 e uno spessore di 6 mm realizzata in piezoceramica TsTS-19 con una frequenza di risonanza di 300 kHz. Tre pezzi di filo MGTF-0,1 sono saldati ai piani argentati della piastra utilizzando la lega di Wood. I punti di saldatura devono essere posizionati sul bordo della piastra e distribuiti uniformemente attorno alla sua circonferenza.
Il sensore è assemblato in una coppa di alluminio 3 da un condensatore all'ossido con un diametro di circa 40 e una lunghezza di 30...40 mm. Al centro del fondo del vetro è praticato un foro per il raccordo 5, attraverso il quale entra un cavo coassiale flessibile 6 lungo 1...2,5 m, che collega il sensore all'ecoscandaglio. La piastra del sensore è incollata su un disco in gomma morbida microporosa 2 con uno spessore di 5...10 mm e un diametro pari al diametro della piastra. I conduttori saldati al piezoelemento sono assemblati in un fascio in modo che il suo asse coincida con l'asse del piezoelemento. Durante l'installazione la treccia del cavo viene saldata al raccordo, il conduttore centrale viene saldato ai terminali del rivestimento del sensore incollati al disco di gomma e i terminali dell'altro rivestimento alla treccia del cavo. Le cremagliere tecnologiche 4 fissano la posizione della lastra in modo che la sua superficie sia incassata nel vetro 2 mm sotto il suo bordo. Il vetro è fissato rigorosamente in verticale e riempito fino al bordo con resina epossidica. In questo caso, devi assicurarti che non ci siano bolle d'aria al suo interno. L'ecoscandaglio utilizza parti di uso comune. La bobina del generatore L1 è avvolta su un telaio del diametro di 5 mm con trimmer da 1000NN. Contiene 110 spire di filo PEV 0,12. Il trasformatore T1 è realizzato su un nucleo magnetico ad anello K16x8x6 mm in ferrite M1000NM. L'avvolgimento primario è avvolto in due fili e contiene 2x20, il secondario - 150 giri di filo PEV 0,21. Tra gli avvolgimenti è posto uno strato di tessuto verniciato. Le bobine del ricevitore sono avvolte su trame dei circuiti IF (465 kHz) dei ricevitori tascabili. Le bobine del circuito L1, L3, L5 ne contengono ciascuna 90 e le bobine di comunicazione L2 e L4 contengono ciascuna 10 spire di filo PEV 0,12. È inoltre possibile utilizzare circuiti IF già pronti da ricevitori tascabili degli anni '70 e '80, selezionando i condensatori per ottenere una frequenza di risonanza di 300 kHz. I condensatori C1, C2 del generatore e C5, C9, C13 del ricevitore devono avere un piccolo TKE (non peggiore di M75); ad esempio, sono adatti i condensatori KSO-G, KM-5, KM-6. Condensatore del ricevitore C1 - K73-17. Indicatori LED rettangolari rossi HL1-HL30, ad esempio KIPM01B-1K. Transistor ad effetto di campo VT2, VT4 dello stabilizzatore (vedi Fig. 3) - KP303, KP307 con qualsiasi indice di lettere, ma con una tensione di interruzione non superiore a 2 V. Il microcontrollore AT89S2051 può essere sostituito con AT89S51 o 87S51. In questo caso è necessario tenere conto delle differenze nella numerazione dei pin. L'analogo domestico di 87S51 è KR1830BE751. Non è consigliabile l'uso di un microcontrollore KR1830BE31 con memoria di programma esterna, poiché ciò aumenterebbe notevolmente il consumo di corrente e le dimensioni del dispositivo. Puoi saperne di più sulla struttura interna e sul sistema di comando del microcontrollore in [1]. Non ci sono requisiti speciali per le altre parti. Tutte le unità ecoscandaglio possono essere montate su uno o più circuiti stampati, le cui dimensioni e configurazione sono determinate dalle dimensioni dell'alloggiamento disponibile, nonché dalle parti utilizzate. Si consiglia di montare il ricevitore su una scheda separata “in linea” e posizionarlo nella custodia il più lontano possibile dal dispositivo di controllo. Per ridurre il riscaldamento dovuto alla luce solare diretta, l'alloggiamento dovrebbe essere leggero. La configurazione dell'ecoscandaglio inizia installando un dispositivo di controllo della tensione di +5 V all'uscita dello stabilizzatore, utilizzando il resistore R5. In questo caso, il chip DD1 deve essere rimosso dallo zoccolo. Dopo aver installato il microcontrollore, è necessario assicurarsi che il dispositivo di controllo e l'unità di visualizzazione funzionino. Dopo aver acceso l'alimentazione, uno dei LED della scala aggiuntiva (HL27-HL30) dovrebbe accendersi sull'indicatore, indicando il limite di misurazione. Premendo i pulsanti SB2 "Su" e SB3 "Giù", è possibile cambiare i limiti di misurazione. Premendo una volta il pulsante “Seleziona” dell'SB4, il dispositivo passa alla modalità per l'impostazione del numero di riflessioni visualizzate. Allo stesso modo, premendo i pulsanti SB2 e SB3, è possibile modificare questo numero da 1 a 4, indicato da un LED lampeggiante sulla scala limite. La prossima volta che si preme il pulsante SB4, viene attivata la modalità di impostazione del grado VARU, che viene regolato anche dai pulsanti SB2 o SB3 ed è indicato da un LED lampeggiante sulla scala di profondità principale. Premendo nuovamente il pulsante SB4 è possibile disattivare o attivare il filtro antirumore impulsivo anche utilizzando rispettivamente i pulsanti SB2 e SB3. Infine, la quarta pressione del pulsante SB4 riporta il dispositivo alla modalità di commutazione del limite principale. In tutte le modalità, gli impulsi riflessi (se presenti) verranno visualizzati sull'indicatore di profondità e, se la profondità è maggiore del limite impostato, nella modalità principale l'ultimo LED dell'indicatore di profondità - HL26 - lampeggerà. Per memorizzare le modalità selezionate, tenere premuto il pulsante SB4 per circa 2 s. Successivamente, l'indicatore si spegne e il dispositivo entra nella modalità di basso consumo "SLEEP". Per uscire da questa modalità premere il pulsante "Reset" di SB1. Tuttavia, se si preme SB1 in modalità operativa, tutti i parametri verranno ripristinati al loro stato originale registrato nella ROM. Dopo essersi assicurati che il microcontrollore funzioni correttamente, si procede alla configurazione del generatore di impulsi della sonda. Innanzitutto è necessario utilizzare un oscilloscopio per verificare la presenza di un impulso negativo della durata di 50 μs e con un periodo di 100 ms sul pin P1.0 del microcontrollore. Successivamente si collega l'oscilloscopio in parallelo all'emettitore-sensore e si osservano gli impulsi di sondaggio generati. La loro ampiezza può raggiungere i 100 V. Immergendo l'emettitore in un recipiente con acqua profonda almeno 40 cm, si possono osservare anche impulsi riflessi. Ruotando il trimmer della bobina L1 è opportuno regolare il generatore sulla frequenza di risonanza dell'emettitore, concentrandosi sull'ampiezza massima degli impulsi riflessi. L'ampiezza del primo di essi può raggiungere 5...10 V. L'ampiezza dell'impulso di sondaggio è praticamente indipendente dalla frequenza. La configurazione del ricevitore inizia con l'impostazione delle modalità del transistor per la corrente continua secondo quelle indicate sullo schema elettrico. Questa operazione va effettuata con il microcontrollore staccato dallo zoccolo. Se necessario, le modalità possono essere regolate utilizzando resistori divisori nel circuito di base dei transistor. Quindi è necessario sintonizzare i circuiti risonanti sulla frequenza del generatore. Per fare ciò si posiziona l'emettitore posto in aria ad una distanza di 15...20 cm da qualsiasi ostacolo e, mediante un oscilloscopio, si regolano i circuiti in base all'ampiezza massima degli impulsi sui collettori VT1, VT4, VT6. Va tenuto presente che il diagramma di radiazione dell'emettitore nell'aria è molto stretto. Durante la sintonizzazione, dovresti aumentare l'efficienza del VAG o aumentare la distanza dall'ostacolo per evitare il taglio del segnale. I circuiti vengono infine regolati osservando il segnale dopo il rilevatore nel punto di connessione degli elementi R21, C17, C18. Infine, collegando l'oscilloscopio al collettore del transistor VT9, il resistore di sintonia R22 fissa la soglia di attivazione del trigger di Schmitt, ottenendo la massima sensibilità e l'assenza di falsi allarmi. La sensibilità del ricevitore è di circa 15 µV. Il funzionamento del VAG è controllato osservando la forma d'onda della tensione sul condensatore del ricevitore C1. Se necessario, può essere modificato selezionando i valori degli elementi R4 e C1. La teoria e la pratica della misurazione della profondità dei serbatoi con un ecoscandaglio ad ultrasuoni possono essere trovate nella letteratura seguente [2-7]. Letteratura
Autore: I. Khlyupin, Dolgoprudny, Regione di Mosca
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