Самодельный эхолот
Описание опубликовано в журнале «Радио» № 3 за 1999 г., стр. 32…34, 39 — Эхолот.
Предлагаемый самодельный 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.
Эхолот прошел опытные испытания в сезон 1998 и 1999 года в речной и морской воде, он 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.
Функциональная схема эхолота показана на рисунке. Он состоит из 4-х функционально законченных блоков: генератора зондирующих импульсов, приемника, блока управления и блока индикации. Их принцмпмальные схемы приведены в подробном описании. Кнопки SB1…SB4 выведены на переднюю панель, с их помощью осуществляется оперативное изменение режимов работы эхолота.
Импульсы частотой 300 кГц с генератора зондирующих импульсов подаются на пьезокерамический излучатель датчик эхолота и в виде ультразвуковых посылок излучаются во внешнюю среду. Отраженный от дна сигнал принимается в промежутке между посылками тем же излучателем и подается на вход приемника, где он усиливается, детектируется и преобразуется в стандартные логические уровни.
В эхолоте 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. Основа блока управления — микроконтроллер AT89C2051, который формирует все сигналы, необходимые для работы эхолота.
Дополнительно повышает помехоустойчивость, защищая от случайных помех, программно реализованный импульсный фильтр. Алгоритм работы фильтра заключается в том, что он выводит на индикатор только те отражения, глубина которых при двух последовательных измерениях изменилась не более, чем на 2% включенного предела измерения глубины. Это позволяет в какой-то степени отсеять помехи, например от двигателя.
Питание этого самодельного эхолота осуществляется от 6 элементов типа A316 с 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.
Датчик эхолота изготовлен на основе круглой пластины диаметром 31 мм и толщиной 6 мм из пьезокерамики ЦТС-19 с резонансной частотой 300 КГц. Он собирается в алюминиевом стакане от оксидного конденсатора диаметром около 40 мм и длиной 30…40 мм. Все рисунки и подробное описание методики изготовления самодельного датчика эхолота приведены в подробном описании.
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.
Печатную плату я рисовал вручную, в те годы Sprint Layout еще не было. Но радиолюбители, повторившие эту конструкцию, прислали мне рисунки некоторых плат. Я, в свою очередь, делюсь этой информацией с Вами. Это дополнение выложено в архиве в том виде, в каком я его получил — «как есть».
Представляю вашему вниманию свою разработку – мини-эхолот на микроконтроллере Atmel ATMega8L и ЖКИ от мобильного телефона nokia3310. Устройство рассчитано для повторения радиолюбителем средней квалификации, но, я думаю, конструкцию сможет повторить каждый желающий. Надеюсь, что повторение этой конструкции принесет Вам много удовольствия и пользы.
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.
Теперь о возможностях эхолота. Рабочая частота 200 кГц, 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. Изготовленная мной конструкция на данное время тестировалась только на водоеме с максимальной глубиной около 4м. Прибор показал отличные результаты. По мере возможности я постараюсь протестировать работу эхолота на больших глубинах и привести результаты испытаний.
Итак, перейдем к схеме. Схема мини-эхолота показана на рисунке (по клику открывается в большом размере 2222×1645 пикселей, рекомендую для работы со схемой сохранить ее на диск).
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 IC1. Далее сигнал подается на микросхему IC2, где частота сигнала делится на 2. Сигнал с IC2 подается на буферный каскад на микросхеме IC3 и далее на ключи Q1 и Q2. Далее сигнал со вторичной обмотки трансформатора Т1 подается на пьезокерамический датчик-излучатель LS1, 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. Первичная обмотка наматывается в 2 провода и содержит 2×14 витков, вторичная – 150 витков провода ПЭВ-2 0,21мм. Сначала наматывается 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? Вариантов 2:
- Приобрести готовый датчик.
- Изготовить самому из пьезокерамики ЦТС-19 по технологии, описанной в 2 см. раздел «ссылки».
Вот несколько фотографий (по клику увеличиваются):
Проект еще некоторое время будет в разработке, и если к нему будет проявлен интерес, то его можно будет дополнить пожеланиями/замечаниями читателей. Буду рад ответить на ваши вопросы/пожелания/замечания и помочь в повторении конструкции.
Сайт проекта: e-mail:
Радиосхемы для быта
материалы в категории
Электронный эхолот может быть полезен при самых разных подводных работах- не только для рыбалки.
Эхолот может быть изготовлен в двух вариантах: с пределами измерения глубины до 9,9 м (в его табло — два люминесцентных индикатора) и 59,9 м (три индикатора).
Принципиальная схема эхолокатора
Тактовый генератор G1 управляет взаимодействием узлов прибора и обеспечивает его работу в автоматическом режиме. Генерируемые им короткие (0,1 с) прямоугольные импульсы 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 BQ1 излучает в направлении дна короткий (40 мкс) ультразвуковой зондирующий импульс. Одновременно открывается электронный ключ S1 и колебания образцовой частоты от генератора G2 поступают на счетчик РС1.
По окончании работы передатчика приемник А2 открывается и приобретает нормальную чувствительность. Эхосигнал, отраженный от дна, принимается тем же BQ1 и закрывает ключ S1. Измерение закончено, на индикаторах счетчика РС1 высвечивается измеренная глубина.
Расчет глубины прост: при скорости распространения звука в воде 1500 м/с, за 1/7500 с фронт сигнала, проделывающего двойной путь, переместится на 0,2 м; и, соответственно, младшая единица на табло счетчика будет соответствовать глубине 0,1 м.
Очередной тактовый импульс вновь переведет счетчик РС1 в нулевое состояние и процесс повторится.
Принципиальная схема эхолота с пределом измерения глубины 59,9 м изображена на рис 2.
Его самовозбуждающийся на частоте ультразвукового излучателя BQ1 передатчик выполнен на транзисторах VT8, VT9. Включением-выключением передатчика управляет модулятор — ждущий одновибратор (VT11, VT12 и др.), подающий через свой ключ (VT10) питание на передатчик в течение 40 мкс.
Транзисторы VT1, VT2 в приемнике усиливают принятый пьезоэлементом BQ1 эхосигнал, транзистор VT3 детектирует их, а транзистор VT4 усиливает продетектированный сигнал. На транзисторах VT5, VT6 собран одновибратор, обеспечивающий постоянство параметров выходных импульсов и порога чувствительности приемника. От прямого воздействия импульсов передатчика приемник защищается диодным ограничителем (R1, VD1, VD2).
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 «+» источника 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 (DD1.1), управляемый RS-триггером (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 образцовой частоты (7500 Гц) собран на элементе DD1.2. Цепью R33, L1 он вводится в режим линейного усилителя, что создает условия для его возбуждения на частоте, зависящей от параметров контура L1 С 18. Точно на частоту 7500 Гц генератор выводят подстройкой L1.
Сигнал образцовой частоты через ключ поступает на трехразрядный счетчик DD2-DD4. В нулевое состояние его устанавливает фронт тактового импульса, поступающий через диод VD4 на R-входы этих микросхем.
Тактовый генератор собран на транзисторах VT13, VT14. Частота следования импульсов зависит от постоянной времени R28-C15.
Нити накала люминесцентных индикаторов HG1-HG3 питаются от преобразователя напряжения, выполненного на транзисторах VT17, VT18 и трансформаторе Т2.
Кнопка SB1 («Контроль») служит для проверки работоспособности устройства. При ее нажатии на ключ VT15 поступает закрывающий импульс и на табло эхолота появится какое-то случайное число. Через некоторое время тактовый импульс перезапустит эхолот, и, если он исправен, на табло возникнет число 88.8.
Все резисторы в эхолоте — типа МЛТ, конденсаторы — КЛС, КТК и К53-1. Транзисторы КТ312В и ГТ402И можно заменить на любые другие этих серий, МП42Б — на МП25„ КТ315Г — на КТ315В. Микросхемы серии К176 можно заменить на эквивалентные из серии К561. Если эхолот предполагается использовать на глубинах до 10 м, микросхему 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 К16х 10х4,5 Обмотка I содержит 2х180 витков провода ПЭВ-2 0,12, обмотка II — 16 витков провода ПЭВ-2 0,39.
Катушка L1 (1500 витков провода ПЭВ-2 0,07) намотана между щечками на каркасе диаметром 6 мм. Диаметр щечек — 15, расстояние между ними — 9 мм. Подстроечник — из карбонильного железа (от броневого магнитопровода СБ-1а).
К посеребренным плоскостям пластины излучателя сплавом Вуда припаивают тонкие выводы. Излучатель собирают в алюминиевом стакане диаметром 45…50 мм (донная часть корпуса оксидного конденсатора). Его высоту — 23…25 мм — уточняют при сборке. В центре дна стакана сверлят отверстие под штуцер, через который будет выведен коаксиальный кабель длиной 1…1,25 м, соединяющий ультразвуковую головку с электронной частью эхолота. Пластину излучателя 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, приклеенной к резиновому диску, вывод другой обкладки излучателя — к оплетке кабеля. Собранный таким образом излучатель вдвигают в стакан. Поверхность пластины излучателя должна быть ниже кромки стакана на 2 мм. Стакан закрепляют строго вертикально и заливают до края эпоксидной смолой. После ее затведения торец излучателя шлифуют мелкозернистой наждачной бумагой до получения гладкой плоской поверхности. К свободному концу коаксиального кабеля припаивают ответную часть разъема X1.
Налаживание эхолота
Для налаживания эхолота потребуется осциллограф и цифровой частотомер. Включив питание, проверяют работоспособность счетного устройства: если оно исправно, то индикаторы должны высвечивать число 88.8.
Работу передатчика проверяют осциллографом, работающим в режиме ждущей развертки. Его подключают к обмотке II трансформатора Т1. С приходом каждого тактового импульса на экране осциллографа должен появляться радиочастотный импульс. Подстройкой трансформатора Т1 (грубо — подбором емкости конденсатора С 10) добиваются максимальной его амплитуды. Амплитуда радиоимпульса на пьезоизлучателе должна быть не меньше 70 В.
Для настройки генератора образцовой частоты потребуется частотомер. Его подключают через резистор сопротивлением 5,1 кОм к выходу (выв. 4) элемента DD1.2 и, изменяя положение подстроечника в катушке L1 (грубо — изменением емкости конденсатора С18), выставляют нужные 7500 Гц.
Приемник и модулятор настраивают по эхосигналам. Для этого излучатель прикрепляют резиновым жгутом к торцовой стенке пластмассовой коробки размером 300х100х100 мм (для устранения воздушного зазора это место смазывают техническим вазелином). Затем коробку заполняют водой, выпаивают из приемника диод VD3 и присоединяют к выходу приемника осциллограф. Критерием правильной настройки приемника, модулятора и качества ультразвукового излучателя является число наблюдаемых на экране эхо — сигналов, возникающих вследствие многократных отражений ультразвукового импульса от торцовых (разнесенных на 300 мм) стенок коробки. Для увеличения видимого числа импульсов подбирают резисторы R2 и R7 в приемнике, конденсатор С 13 в модуляторе и подстраивают трансформатор Т1.
Вернув на место диод VD3, приступают к регулировке задержки включения приемника. Она зависит от сопротивления резистора R18. Этот резистор заменяют переменным на 10 кОм и находят такую его величину, при которой на экране осциллографа исчезают первые два эхосигнала. Это сопротивление и должен иметь резистор R18. После настройки число эхосигналов на экране осциллографа должно быть не меньше 20.
Для измерения глубины водоема нижнюю часть ультразвуковой головки погружают в воду на 10…20 мм. Лучше иметь для нее специальный поплавок.
(Войцехович В., Федорова В.. Радио. 1988, №10, с. 32…36)
Современный глубиномер – эхолот
Из современных приборов, предназначенных для измерения глубины и прорисовки рельефа дна, рыболовами применяется эхолот. Это устройство позволяет не просто узнать цифры, но и визуально увидеть, что происходит под водой в конкретном месте.
Существует эхолот для ловли с берега и с лодки. Вторая категория наиболее востребована и пользуется огромным спросом. Первая – малознакома нашим рыболовам. Ее применяют единицы, хотя этот прибор очень эффективен и позволяет изучить ситуацию под водой, находясь вне плавсредства.
Как выбрать эхолот для рыбалки с берега? Вопрос непростой. Изначально необходимо обращать внимание на цену изделия. Ведь слишком дорогие модели не по карману простому обывателю, да и порой соотношение в необходимости прибора и его стоимости не сопоставимы.
Чтобы выбрать хороший береговой эхолот, необходимо обращать внимание на следующие параметры:
- Мощность, позволяющая измерять глубину на большом расстоянии. Небольшое значение этого показателя приводит к тому, что прибор передает картинку на дисплей, находясь лишь вблизи рыболова.
- Угол сканирования. Чем он больше, тем большую площадь «захватывает» датчик эхолота. Но чересчур высокое значение может привести к искажению изображения. Рекомендуется выбирать устройство с усредненными характеристиками.
- Размер, разрешение экрана эхолокатора и количество цветов. Этот показатель определяет качество изображения рельефа дна на дисплее.
Помимо эхолота, некоторые производители выпускают цифровые глубиномеры. Они дешевле эхолокаторов, но позволяют измерить глубину, дополнительно отображают температуру воды либо воздуха. Их можно использовать в зимнее время, сканируя зону ловли прямо через лед.