Каталог радиолюбительских схем

Предлагаемый эхолот может быть использован на любительских судах для измерения глубины водоемов, для поиска затонувших предметов, а также при других работах на воде, связанных с необходимостью знать рельеф дна и глубину. Рыболовы же с его помощью легко смогут отыскать наиболее перспективные места ужения рыбы.

Описание этого прибора было опубликовано в журнале «Радио №3» за 1999 год, он прошел опытные испытания в сезон 1998 и 1999 года в речной и морской воде. Эхолот измеряет глубину водоемов на четырех пределах: до 2,5; 5; 12,5 и 25 метров. Минимальная измеряемая глубина — 0,3 м. Погрешность не более 4% от верхнего предела на каждом диапазоне.

Предусмотрена временная автоматическая регулировка усиления (ВАРУ), изменяющая коэффициент усиления в течении каждого цикла от минимального до максимального, что повышает помехоустойчивость прибора.

В качестве индикатора используется линейная шкала глубины из 26 светодиодов, на которой может индицироваться до четырех отраженных сигналов и вспомогательная шкала из 4-х светодиодов, отображающая предел измерения. Период обновления информации на индикаторе около 0,1 сек, что позволяет легко отслеживать рельеф дна. Дополнительно повышает помехоустойчивость, защищая от случайных помех, программно реализованный импульсный фильтр. Питание эхолота осуществляется от 6 элементов типа A316 общим напряжением 9 В. Работоспособность прибора сохраняется при снижении напряжения до 6 В, потребляемый ток не превышает (7. 8) Ма + 10 Ма на каждый горящий светодиод, в среднем при измерении около 30 Ма.

Эхолот весьма прост в наладке и удобен в эксплуатации, не требует калибровки. Предусмотрена возможность оперативного переключения предела измерения, количества 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 ток составляет около 70 Мка, что практически не сказывается на сроке службы элементов питания.

Прибор состоит из 4-х функционально законченных блоков: генератора зондирующих импульсов, приемника, блока управления и блока индикации.

Принципиальная схема генератора зондирующих импульсов показана на рис. 1. На микросхеме DD1 собран задающий импульсный генератор на частоту 600 Кгц, которая затем делится на 2 триггером на элементе DD2. Усилитель мощности излучаемого сигнала выполнен по двухтактной схеме на составных транзисторах VT1, VT2 и трансформаторе T1, со вторичной обмотки которого электрические колебания частотой 300 КГц подаются на пьезокерамический излучатель — датчик и в виде ультразвуковых посылок излучаются во внешнюю среду. Работа генератора разрешается при наличии уровня логического нуля на выводах 12, 13 DD1 и 4, 6 DD2.

Разрешающий импульс длительностью 50 Мкс поступает на генератор в начале каждого цикла измерения с блока управления. Его схема показана на рис. 2. Основа блока — однокристальный микроконтроллер AT89C2051, который формирует все сигналы, необходимые для работы прибора. На транзисторах VT1. VT4 собран стабилизатор напряжения 5 В. Его характерные особенности — очень малый собственный потребляемый ток — 25 Мка и малое падение напряжения на регулирующем транзисторе — менее 1 В. Транзистор VT5 отключает питание от приемника в режиме «SLEEP», снижая потребляемый ток.

Отраженный от дна сигнал принимается в промежутке между посылками излучателем — датчиком и подается на вход приемника (рис. 3). Импульс усиливается трехкаскадным резонансным усилителем на VT1, VT2, VT4. VT7 и детектируется VD4, VD5. Триггер Шмитта на VT8, VT9 формирует стандартные логические уровни. Диоды VD1, VD2 защищают вход приемника от перегрузки. Транзистор VT3 — управляющий элемент ВАРУ, изменяющий в широких пределах коэффициент усиления первого каскада.

Форма управляющего напряжения на конденсаторе C1 при максимальной эффективности ВАРУ показана на рис. 8. Длительность заряда конденсатора определяется постоянной времени R2 C1, а нижний уровень напряжения — номиналом R4 и длительностью разрядного импульса с блока 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 P3.2 микроконтроллера DD1 блока управления для дальнейшей обработки.

Схема блока индикации показана на рис. 4. Он представляет собой 32-х разрядный сдвиговый регистр на 4-х микросхемах типа К561ИР2 с эмиттерными повторителями на выходе. Резисторы R1. R30 задают ток через светодиоды 10 Ма. При таком токе индикатор хорошо виден в любую погоду. Последние 2 разряда DD4 не используются. Светодиоды HL1. HL26 образуют основную шкалу индикатора, а HL27. HL30 индицируют предел измерения, количество индицируемых отражений и включение импульсного фильтра помех. Их размещение на передней панели изображено на рис. 6.

Схема межблочных соединений прибора показана на рис. 5.

Кнопки SB1. SB4 также выведены на переднюю панель, с их помощью осуществляется оперативное изменение режимов работы эхолота.

Конструкция ультразвукового излучателя — датчика понятна из рис. 7. Он изготовлен на основе круглой пластины 1 диаметром 31 мм и толщиной 6 мм из пьезокерамики ЦТС-19 с резонансной частотой 300 Кгц. К ее посеребренным плоскостям сплавом Вуда припаивают по 3 отрезка провода МГТФ-0,1 или 0,14. Места паек должны быть у края пластины и располагаться по окружности равномерно.

Датчик собирают в алюминиевом стакане 3 от оксидного конденсатора диаметром около 40 мм 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 косу так, чтобы ее 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 конструкции эхолота использованы широко распространенные детали. Катушка L1 генератора намотана на каркасе диаметром 5 мм с подстроечником Ф-600. Она содержит 110 витков провода ПЭВ 0,12 мм. Трансформатор T1 намотан на сердечнике K16x8x6 мм из феррита М1000НМ. Первичная обмотка наматывается в 2 провода и содержит 2×20 витков, вторичная — 150 витков провода ПЭВ 0,21 мм. Между обмотками необходимо проложить слой лакоткани. Катушки приемника намотаны на каркасах от контуров ПЧ 465 Кгц карманных приемников. Контурные катушки L1, L3, L5 содержат по 90 витков, а катушки связи L2 и L4 по 10 витков провода ПЭВ 0,12 мм. Можно использовать и готовые контура от карманных приемников 70-х — 80-х годов, подобрав конденсаторы для получения резонансной частоты 300 Кгц.

Конденсаторы C1, C2 генератора и C5, C9, C13 приемника должны быть с малым ТКЕ, группы не хуже M75, например КСО-Г. C1 приемника типа К73-17. Светодиоды индикатора HL1. HL30 красного цвета свечения прямоугольной формы, например типа КИПМ01Б-1K. Полевые транзисторы VT2, VT4 стабилизатора (рис. 2) типа КП303, КП307 с любым буквенным индексом, но с напряжением отсечки не более 2 В. Микроконтроллер AT89C2051 можно заменить на AT89C51 или 87C51. При этом необходимо учесть различия в нумерации выводов. К остальным деталям особых требований не предъявляется.

Все блоки прибора смонтированы на одной или нескольких печатных платах, размеры и конфигурация которых определяются размерами имеющегося в наличии корпуса, а также типом применяемых деталей, поэтому не приводятся. Приемник желательно смонтировать на отдельной плате «в линейку» и разместить в корпусе по возможности дальше от блока управления. Для уменьшения нагрева прямыми солнечными лучами корпус должен быть светлого цвета.

Налаживание эхолота начинают с установки на выходе стабилизатора блока управления напряжения +5 В с помощью резистора R5. При этом DD1 следует вынуть из панельки. После установки микроконтроллера на место необходимо убедиться в работоспособности блока управления и блока индикации.

После включения питания на индикаторе должен светиться один из светодиодов дополнительной шкалы (HL27. HL30), индицирующий предел измерения. Нажимая на кнопки SB2 «UP» и SB3 «DOWN» можно переключать пределы. Однократное нажатие на кнопку SB4 «SELECT» переключает прибор в режим установки количества индицируемых отражений. Аналогично, нажимая SB2 и SB3, можно изменять их количество от 1 до 4. Это индицируется мигающим светодиодом на шкале пределов. При следующем нажатии кнопки «SELECT» включается режим установки степени ВАРУ, которая также устанавливается SB2 или SB3 и индицируется мигающим светодиодом на основной шкале глубины. Нажав «SELECT» еще раз можно выключить или включить импульсный фильтр помех также с помощью SB2 и SB3 соответственно. Наконец, четвертое нажатие «SELECT» 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 «SELECT» в течение примерно 2 сек. После этого индикатор гаснет и прибор переходит в режим пониженного энергопотребления «SLEEP». Выход из этого режима происходит при нажатии SB1 «RESET». 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 P1.0 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 подстроечный сердечник 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.

Наладку приемника начинают с проверки режимов транзисторов по постоянному току, указанных 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 контура на частоту генератора. Для этого излучатель в воздухе располагают на расстоянии 15. 20 см от какого — либо препятствия и с помощью осциллографа настраивают контура 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 увеличивать эффективность ВАРУ или увеличивать расстояние до препятствия, чтобы избежать ограничения сигнала. Окончательно контура подстраивают, наблюдая сигнал после детектора в точке соединения R21, C17, C18. Наконец, переключив осциллограф на коллектор 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 C1 приемника. При необходимости она может быть изменена подбором номиналов R4 и C1.

С теорией и практикой измерения глубины водоемов ультразвуковым эхолотом можно ознакомиться в приводимой ниже литературе.

Если появились вопросы, загляните на страничку FAQ источника материала.

Программа для AT89C2051 eho.zip или с нашего сайта eho.zip.

Печатные платы plt_eho.zip 370кб, разработанные Максимом или с нашего сайта plt_eho.zip.

Литература:

• И. Подымов. Эхолот спортсмена — подводника.- Радио, 1993, № 2, стр. 7-9.
• В. Войцехович, В. Федорова. Эхолот рыболова — любителя.- Радио, 1988, № 10, стр. 32-36.
• В. Тимофеев. Эхолот. Сб.: В помощь радиолюбителю, вып. 92, стр. 23-41 — М.: ДОСААФ, 1986.
• А. Владимиров, Л. Корлякова. Любительский эхолот «Поиск». Сб.: В помощь радиолюбителю, вып. 80, стр. 47-57. — М.: ДОСААФ, 1983.
• В. Бокитько, Д. Бокитько. Портативный эхолот.- Радио, 1981, № 10, стр. 23-25.
• А. Кравченко. Транзисторный эхолот.- Радио, 1973, № 12, стр. 15-16.

Связаться с автором материала:

610016 Россия, г.Киров-16, а/я 1906 Хлюпин Николай Петрович

© 1997-2000г. Воспроизведение материалов сайта в любом виде только с согласия автора.

Эхолот рыболова-любителя своими руками.

Структурная схема, поясняющая 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.

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 фер-ритовым (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 тита-натовой 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. В заключение 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).

В. ВОЙЦЕХОВИЧ, В. ФЕДОРОВА г. Ленинград

1. Бокитько В., Бокитько Д. Портативный эхолот.- Радио. 1981. № 10, с. 23-25.

2. Виноградов Ю. Преобразователь для питания индикаторов.- Радио, 1984, № 4. с. 55.