Как сделать датчик для эхолота своими руками
Евросамоделки — только самые лучшие самоделки рунета! Как сделать самому, мастер-классы, фото, чертежи, инструкции, книги, видео.
Cамодельный мини-эхолот на микроконтроллере Atmel ATMega8L
и
ЖКИ от мобильного телефона nokia3310
Представляю вашему вниманию авторскую разработку – самодельный мини-эхолот на микроконтроллере Atmel ATMega8L и ЖКИ от мобильного телефона nokia3310. Устройство рассчитано для повторения радиолюбителем средней квалификации, но, я думаю, конструкцию может повторить каждый желающий. Материал я старался изложить так, чтобы читателям в доступной форме дать побольше полезной информации по теме. Надеюсь, что повторение конструкции принесет Вам много удовольствия и пользы.
Буду рад ответить на ваши вопросы/пожелания/замечания и помочь в повторении конструкции.
С уважением, Alex
Эхолот, сонар (sonar) — сокращение от SOund NAvigation and Ranging. Эхолот известен где-то с 40-х годов, технология была разработана во время Второй мировой войны для отслеживания вражеских подводных лодок. В 1957 году компания Lowrance выпустила первый в мире эхолот на транзисторах для спортивной рыбной ловли.
Эхолот состоит из таких основных функциональных блоков: микроконтроллер, передатчик, датчик-излучатель, приемник и дисплей. Процесс обнаружения дна (или рыбы) в упрощенном виде выглядит следующим образом: передатчик выдает электрический импульс, датчик-излучатель преобразует его в ультразвуковую волну и посылает в воду (частота этой ультразвуковой волны такова, что она не ощущается ни человеком, ни рыбой). Звуковая волна отражается от объекта (дно, рыба, другие объекты) и возвращается к датчику, который преобразует его в электрический сигнал (см. рисунок ниже).
Приемник усиливает этот возвращенный сигнал и посылает его в микропроцессор. Микропроцессор обрабатывает принятый с датчика сигнал и посылает его на дисплей, где мы уже видим изображение объектов и рельефа дна в удобном для нас виде.
На что следует обратить внимание: рельеф дна эхолот рисует только в движении. Это утверждение вытекает из принципа действия эхолота. Тоесть, если лодка неподвижна, то и информация о рельефе дна неизменна, и последовательность значений будет складываться из одинаковых, абсолютно идентичных значений. На экране при этом будет рисоваться прямая линия.
Первый вопрос, который, я уверен, возникнет у читателей «Почему использован такой маленький дисплей?» Поэтому я сразу на него отвечу: этот «мини-эхолотик» разрабатывался по просьбе знакомого из того, что оказалось под рукой. А этими подручными средствами оказались ATMega8L, дисплей от nokia3310 и какой-то излучатель с обозначением f=200kHz. Еще Вы, наверное, спросите возможно ли переделать программу/схему под другой, больший дисплей? Да. Теоретически это возможно.
От эхолотов, описанных в [1, 2, 3] моя конструкция отличается применением графического ЖК дисплея, что дает устройству преимущества в отображении полезной информации.
Вся конструкция собрана в корпусе «Z14». Питание обеспечивается от аккумулятора 9В GP17R9H. Максимальный потребляемый ток не более 30 мА (в авторском варианте 23мА).
Теперь о возможностях эхолота. Рабочая частота 200 кГц и настраивается под конкретный имеющийся излучатель. Программно реализована возможность измерять глубину до 99,9 метров. Но скажу сразу: максимальная глубина, которую сможет «видеть» эхолот, в большой степени будет зависеть от параметров примененного излучателя. Моя конструкция на данное время тестировалась только на водоеме с максимальной глубиной около 4 м. Прибор показал отличные результаты. По мере возможности постараюсь протестировать работу эхолота на более больших глубинах, о чем будет сообщено читателям.
Итак, перейдем к схеме. Схема мини-эхолота показана на рисунке ниже:
Основные функциональные блоки эхолота: схема управления (тоесть микроконтроллер ATMega8L), передатчик, излучатель, приемник, дисплей, клавиатура, схема зарядки аккумуляторной батареи.
Работает эхолот следующим образом: микроконтроллер на выводе РВ7 формирует управляющий сигнал (прямоугольные импульсы лог. «0») длительностью примерно 40 мкс. Этот сигнал запускает на указанное время задающий генератор с рабочей частотой 400 кГц на микросхеме IC4. Далее сигнал подается на микросхему IC5, где частота сигнала делится на 2. Сигнал с IC5 подается на буферный каскад на микросхеме IC6 и далее на ключи Q3 и Q4. Далее сигнал со вторичной обмотки трансформатора Т1 подается на пьезокерамический датчик-излучатель LS2, который посылает ультразвуковые посылки во внешнюю среду.
Отраженный от дна/препятствия сигнал принимается датчиком-излучателем и подается на вход приемника, который собран на микросхеме SA614AD в типовом включении (см. Datasheet на SA614AD). Диодная сборка BAV99 на входе приемника ограничивает входное напряжение приемника в момент работы передатчика.
Сигнал с приемника подается на компаратор на микросхеме LM2903, чувствительность которого регулируется микроконтроллером.
Далее сигнал обрабатывается в микроконтроллере и отображается в нужном виде на графическом ЖК дисплее 84х48 точек.
Трансформатор Т1 передатчика намотан на сердечнике К16*8*6 из феррита M1000НМ. Первична обмотка наматывается в 2 провода и содержит 2х14 витков, вторичная – 150 витков провода ПЭВ-2 0,21мм. Первой мотается вторичная обмотка. Половины первичной обмотки должны быть «растянуты» по всей длине сердечника. Обмотки необходимо изолировать друг от друга слоем лакоткани или трансформаторной бумаги.
Теперь самая интересная и проблемная часть: датчик-излучатель. У меня эта проблема была решена изначально: у меня уже был готовый излучатель. Как быть Вам?
Вариант 1: приобрести готовый датчик.
Вариант 2: изготовить самому из пьезокерамики ЦТС-19.
При прошивке микроконтроллера ATMega8L fuse bits выставить согласно картинке ниже :
Полная информация по изготовлению, настройке, прошивке и руководству по использованию мини-эхолота
смотрите в прилагаемом архиве!
Самодельный эхолот рыбака своими руками
В настоящее время эхолоты для рыбалки очень популярны среди рыбаков и спортсменов.
Что дает эхолот рыбаку?
Ответ на этот вопрос, казалось бы, весьма прост – эхолот ищет и находит рыбу, и это является его основным предназначением. Однако однозначность этого ответа может казаться абсолютно справедливой только начинающему рыболову. Каждый мало-мальски грамотный рыбак знает, что рыба не распределяется равномерно по пространству водоемов, а собирается в определенных местах, определяемых рельефом дна, резкими изменениями глубин и даже перепадами температур между слоями воды. Интерес могут представлять коряги, камни, ямы, растительность. Иными словами, рыба не только ищет, где глубже, но и где ей лучше ночевать, охотиться, маскироваться, кормиться. Поэтому первостепенная задача эхолота – это определение глубин водоема и изучение рельефа дна.
Структурная схема, которая поясняет устройство и работу эхолота, показана на рис. 1. Тактовый генератор G1 управляет взаимодействием узлов прибора и обеспечивает его работу в автоматическом режиме. Генерируемые им короткие (0,1 с) прямоугольные импульсы положительной полярности повторяются каждые 10 с.
Своим фронтом эти импульсы устанавливают цифровой счетчик РС1 в нулевое состояние и закрывают приемник А2, делая его нечувствительным к сигналам на время работы передатчика. Спадом тактовый импульс запускает передатчик А1, и излучатель-датчик BQ1 излучает в направлении дна короткий (40 мкс) ультразвуковой зондирующий импульс. Одновременно открывается электронный ключ S1, и колебания образцовой частоты 7500 Гц от генератора G2 поступают на цифровой счетчик РС1.
Puc.1
По окончании работы передатчика приемник А2 открывается и приобретает нормальную чувствительность. Эхосигнал, отраженный от дна, принимается датчиком BQ1 и после усиления в приемнике закрывает ключ S1. Измерение закончено, и индикаторы счетчика РС1 высвечивают измеренную глубину. Очередной тактовый импульс вновь переводит счетчик РС1 в нулевое состояние, и процесс повторяется.
Принципиальная схема эхолота с пределом измерения глубины до 59,9 м изображена на рис. 2. Его передатчик представляет собой двухтактный генератор на транзисторах VT8, VT9 с настроенным на рабочую частоту трансформатором Т1. Необходимую для самовозбуждения генератора положительную обратную связь создают цепи R19C9 и R20C11.’ Генератор формирует импульсы длительностью 40 мкс с радиочастотным заполнением. Работой передатчика управляет модулятор, состоящий из одновибратора на транзисторах VT11, VT12, формирующего модулирующий импульс длительностью 40 мкс, и усилителя на транзисторе VT10. Модулятор работает в ждущем режиме, запускающие тактовые импульсы поступают через конденсатор С14.
Приемник эхолота собран по схеме прямого усиления. Транзисторы VT1, VT2 усиливают принятый излучателем-датчиком BQ1 эхосигнал, транзистор VT3 использован а амплитудном детекторе, транзистор VT4 усиливает продетектированный сигнал. На транзисторах VT5, VT6 собран одновибратор, обеспечивающий постоянство параметров выходных импульсов и порога чувствительности приемника. От импульса передатчика приемник защищают диодный ограничитель (VD1, VD2) и резистор R1.
В приемнике применено принудительное выключение одновибратора приемника с помощью транзистора VT7. На его базу через диод VD3 поступает положительный тактовый импульс и заряжает конденсатор С8. Открываясь, транзистор VT7 соединяет базу транзистора VT5 одновибратора приемника с положительным проводом питания, предотвращая тем самым возможность его срабатывания от приходящих импульсов. По окончании тактового импульса конденсатор С8 разряжается через резистор R18, транзистор VT7 постепенно закрывается, и одновибратор приемника обретает нормальную чувствительность. Цифровая часть эхолота собрана на микросхемах DD1-DD4. В ее состав входит ключ на элементе DD1.1, управляемый RS-триггером на элементах DD1.3, DD1.4. Импульс начала счета поступает на триггер от модулятора передатчика через транзистор VT16, окончания — с выхода приемника через транзистор VT15.
Генератор импульсов с образцовой частотой повторения (7500 Гц) собран на элементе DD1.2. Из резистора R33 и катушки L1 составлена цепь отрицательной обратной связи, выводящей элемент на линейный участок характеристики. Это создает условия для самовозбуждения на частоте, определяемой параметрами контура L1C18. Точно на заданную частоту генератор настраивают подстроечником катушки.
Сигнал образцовой частоты через ключ поступает на трехразрядный счетчик DD2-DD4. В нулевое состояние его устанавливает фронт тактового импульса, поступающего через диод VD4 на входы R микросхем.
Тактовый генератор, управляющий работой эхолота, собран на транзисторах разной структуры VT13, VT14. Частота следования импульсов определена постоянной времени цепи R28C15.
Катоды индикаторов HG1-HG3 питает генератор на транзисторах VT17, VT18 [2].
Кнопка SB1 («Контроль») служит для проверки работоспособности устройства. При нажатии на нее на ключ VT15 поступает закрывающий импульс и индикаторы эхолота высвечивают случайное число. Через некоторое время тактовый импульс переключает счетчик, и индикаторы должны высветить число 888, что свидетельствует об исправности эхолота.
Эхолот смонтирован в коробке, склеенной из ударопрочного полистирола. Большинство деталей размещено на трех печатных платах из фольгированного стеклотекстолита толщиной 1,5 мм. На одной из них (рис. 3) смонтирован передатчик, на другой (рис. 4) — приемник, на третьей (рис. 5 — цифровая часть эхолота. Платы закреплены на дюралюминиевой пластине размерами 172Х72 мм, вложенной в крышку коробки. В пластине и крышке просверлены отверстия под выключатель питания Q1 (МТ-1), кнопку SB1 (КМ1-1) и гнездо ВР-74-Ф коаксиального разъема XI, а также вырезано окно для цифровых индикаторов.
В эхолоте применены резисторы МЛТ, конденсаторы КЛС, КТК и К53-1. Транзисторы КТ312В и ГТ402И можно заменить на любые другие транзисторы этих серий, МП42Б — на МП25, КТ315Г-на КТ315В. Микросхемы серии К176 заменимы соответствующими аналогами серии К561, вместо микросхемы К176ИЕЗ (DD4) можно применить К176ИЕ4. Если эхолот будет использован на глубине не более 10 м, счетчик DD4 и индикатор HG3 можно не устанавливать.
Обмотки трансформатора Т1 намотаны проводом ПЭЛШО 0,15 на каркасе диаметром 8 мм с ферритовым (600НН) подстроечником диаметром 6 мм. Длина намотки — 20 мм. Обмотка I содержит 80 витков с отводом от середины, обмотка II — 160 витков. Трансформатор Т2 выполнен на ферритовом (3000НМ) кольце типоразмера К16Х10Х4,5. Обмотка I содержит 2Х 180 витков провода ПЭВ-2, 0,12, обмотка 11-16 витков провода ПЭВ-2, 0,39. Катушка L1 (1500 витков провода ПЭВ-2 0,07) намотана между щечками на каркасе диаметром 6 мм из органического стекла. Диаметр щечек — 15, расстояние между ними — 9 мм. Подстроечник — от броневого магнитопровода СБ-1а из карбонильного железа.
Ультразвуковой излучатель-датчик эхолота изготовляют на основе круглой пластины диаметром 40 и толщиной 10 мм из титаната бария. К ее посеребренным плоскостям сплавом Вуда припаивают тонкие (диаметром 0,2 мм) проводники-выводы. Датчик собирают в алюминиевом стакане от оксидного конденсатора диаметром 45. 50 мм (высоту — 23. 25 мм — уточняют при сборке). В центре дна стакана сверлят отверстие под штуцер, через который будет входить коаксиальный кабель (РК-75-4-16, длина 1. 2,5 м), соединяющий датчик с эхолотом. Пластину датчика приклеивают клеем 88-Н к диску из мягкой микропористой резины толщиной 10 мм.
При монтаже оплетку кабеля припаивают к штуцеру, центральный проводник — к выводу обкладки датчика, приклеенной к резиновому диску, вывод другой обкладки — к оплетке кабеля. После этого диск с пластиной вдвигают в стакан, пропуская кабель в отверстие штуцера, и закрепляют штуцер гайкой. Поверхность титанатовой пластины должна быть углублена в стакан на 2 мм ниже его кромки. Стакан закрепляют строго вертикально и заливают до края эпоксидной смолой. После затвердевания смолы поверхность датчика шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой до получения гладкой плоскости. К свободному концу кабеля припаивают ответную часть разъема XI.
Для налаживания эхолота необходимы осциллограф, цифровой частотомер и блок питания напряжением 9 В. Включив питание, проверяют работоспособность счетного устройства: если оно исправно, то индикаторы должны высвечивать число 88,8. При нажатии на кнопку SB1 должно появляться случайное число, которое с приходом очередного тактового импульса должно вновь сменяться числом 88,8.
Далее налаживают передатчик. Для этого к эхолоту подключают датчик, а осциллограф, работающий в режиме ждущей развертки,- к обмотке 11 трансформатора Т1. На экране осциллографа с приходом каждого тактового импульса должен появляться импульс с радиочастотным заполнением. Подстроечником трансформатора Т1 (если необходимо, подбирают конденсатор С10) добиваются максимальной амплитуды импульса, которая должна быть не менее 70 В.
Следующий этап — налаживание генератора импульсов образцовой частоты. Для этого частотомер через резистор сопротивлением 5,1 кОм присоединяют к выводу 4 микросхемы DD1. На частоту 7500 Гц генератор настраивают подстроечником катушки L1. Если при этом подстроечник занимает положение, далекое от среднего, подбирают конденсатор С18.
Приемник (а также модулятор) лучше всего настраивать по эхо-сигналам, как это описано в [I]. Для этого датчик прикрепляют резиновым жгутом к торцевой стенке пластмассовой коробки размерами 300Х100Х100 мм (с целью устранения воздушного зазора между датчиком и стенкой ее смазывают техническим вазелином). Затем коробку заполняют водой, выпаивают из приемника диод VD3 и присоединяют к выходу приемника осциллограф. Критерием правильной настройки приемника, модулятора передатчика, а также качества ультразвукового датчика является число наблюдаемых на экране эхосигналов, возникающих вследствие многократных отражений ультразвукового импульса от торцевых стенок коробки. Для увеличения видимого числа импульсов подбирают резисторы R2 и R7 в приемнике, конденсатор С13 в модуляторе передатчика и изменяют положение подстроечника трансформатора Т1.
Для регулировки устройства задержки включения приемника впаивают на место диод VD3, заменяют резистор R18 переменным (сопротивлением 10 кОм) и с его помощью добиваются исчезновения двух первых эхосигналов на экране осциллографа. Измерив сопротивление введенной части переменного резистора, его заменяют постоянным такого же сопротивления. После настройки число эхосигналов на экране осциллографа должно быть не менее 20.
Для измерения глубины водоема датчик лучше всего закрепить на поплавке с таким расчетом, чтобы нижняя его часть была погружена в воду на 10. 20 мм. Можно прикрепить датчик к шесту, с помощью которого его погружают в воду кратковременно, на время измерения глубины. При использовании эхолота в плоскодонной алюминиевой лодке для измерения небольших глубин (до 2 м) датчик можно приклеить к днищу внутри лодки.
Следует отметить, что в солнечные дни яркость свечения цифровых индикаторов может оказаться недостаточной. Повысить ее можно заменой батареи «Корунд» («Крона») источником питания с несколько большим напряжением, например, батареи, составленной из восьми аккумуляторов Д-0,25 (никаких изменений схемы и конструкции прибора это не потребует).
Немного теории
Как c помощью эхолота мы видим рыбу?
Звуковые волны эхолота отражаются от физических движимых объектов (т.е. мест, где скорость распространения звука изменяется). Рыба в основном состоит из воды, но разница между скоростью звука в воде и в газе, который находится в воздушном пузыре рыбы, настолько велика, что позволяет звуку отображаться и возвращаться. Воздушный пузырь позволяет рыбе удерживаться на определенной глубине без помощи плавников, (по тому-же принципу и подводные лодки построены). Поэтому с помощью эхолота мы «видим» не саму рыбу, а ее воздушный пузырь что, по большому счету, для рыбака все равно. Есть пузырь — есть и рыба. Но все-таки надо знать,что , каждый наполненный газом воздушный пузырь, как поток воздуха в трубе органа, имеет собственную естественную частоту. Когда пузырь достигают звуковые волны той же частоты, он резонирует, и частота резонанса в несколько раз выше, чем частота самой волны. Поэтому «цель» выглядит большей, чем есть на самом деле.
Если смотреть глубже, тон резонирования воздушных пузырей определяется давлением воды, размером и формой пузыря и физическими препятствиями внутри самой рыбы.
Эти факторы меняются, когда рыба движется вертикально сквозь разные глубины.
Как сонар показывает рыб?
На рисунке виден типичный «овал ногтя» (дуга), образуемый схемой движения одной рыбы от центра к углам либо угол конуса, когда лодка стоит. Тот же самый эффект может быть создан, если лодка движется, а рыба неподвижна. Но вы редко увидите эту идеальную дугу, поскольку рыба, которую вы ищете, все время перемещается за пределы дуги, а не обязательно по уровню или центру.Чем крупнее «овал ногтя», тем крупнее рыба, не так ли? Нет, необязательно.
Рыба одинакового размера, плывущая по центру дуги к поверхности, может находиться в дуге короткое время и поэтому давать мелкий отпечаток. Если же та же рыба прижимается ко дну и проходит по центру дуги, то попадет в целевую зону на более длительный период времени и даст более крупный сигнал. В общем говоря, рыба будет казаться меньше, чем ближе она к преобразователю, и крупнее, чем дальше от него.
Это прямо противоположно тому, что видят наши глаза при солнечном свете. Вариации в этом идеальном «овале ногтя» могут возникать по ряду причин. Рыба плавает вверх и вниз, она проходит через внешние границы дуги под неправильными углами, лодка движется то медленно, то быстро, рыба может быть так близко к дну, что частично попадает в «мертвую зону».Например, вы обнаружите, что косяк нужной рыбы, находящийся в тесном скоплении в горизонтальном пласте, образует большую дугу, но с углами, которые мало отличаются от отметки одной рыбы. Итак, вы увидите множество вариаций этой формы «овала ногтя», но помните, что она является обычным отображением, которое возвращается рыбой.
Есть одна ошибка, типичная для всех эхолотов, о которой знают или даже задумываются лишь немногие рыбаки, это то, что все КАЖЕТСЯ, как будто оно находится под лодкой, хотя на самом деле это не так.
Рисунок показывает то, что действительно происходит под водой с нашим звуковым конусом и наше впечатление о нем, основанные на мигающей шкале или двухмерном изображении.
На рисунке видно, как все эхолоты выдают ошибку в чтении рыбы, находящейся между лодкой и дном.
Это происходит из-за того, что прибор старается выстроить всю найденную рыбу в пределах конуса в одну прямую линию, которая убеждает нас, что рыба находится прямо под днищем лодки.
Также рисунок показывает нам, что происходит когда две (или более) рыбы обнаруживаются на том же самом расстоянии (от преобразователя), хотя на самом деле они находятся на разных концах конуса.
Все они помечаются эхолотом, как на одном расстоянии, и поэтому показываются как одна рыба.
Рыбалка с эхолотом очень интересная, к тому-же добавляет уверенности и в итоге — улова.