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ENCICLOPEDIA DE RADIOELECTRÓNICA E INGENIERÍA ELÉCTRICA Ecosonda. Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica.
Enciclopedia de radioelectrónica e ingeniería eléctrica. / Hogar, hogar, hobby La ecosonda que se ofrece a la atención de los lectores se puede utilizar para determinar la topografía del fondo y medir la profundidad de los cuerpos de agua, buscar objetos hundidos y también encontrar los lugares más prometedores para la pesca. El dispositivo es muy fácil de configurar, fácil de usar y no requiere calibración. La ecosonda está diseñada para medir la profundidad de cuerpos de agua dentro de cuatro límites: hasta 2,5; 5; 12,5 y 25 m La profundidad mínima medida es de 0,3 m El error de indicación no supera el 4% del valor superior en ningún límite de medida. El dispositivo tiene un control automático de ganancia (TAG) temporal, que le permite cambiar su ganancia durante cada ciclo de medición de mínimo a máximo y, por lo tanto, aumentar la inmunidad al ruido. La necesidad de TVG se debe al hecho de que cualquier radiación de energía acústica en el agua provoca una reverberación intensa, es decir, múltiples reflejos de una señal ultrasónica desde el fondo y la superficie del agua. Por lo tanto, a poca profundidad, puede haber falsas alarmas de la unidad de registro de señales de eco. Gracias a VAR, el funcionamiento del dispositivo mejora significativamente cuando se mide la profundidad en el rango de 0,3 ... 3 m. La ecosonda utiliza una escala de profundidad lineal que consta de 26 LED como indicador, que puede mostrar hasta cuatro límites de medición reflejados. El período de actualización de la información del indicador es de aproximadamente 0,1 s, lo que facilita el seguimiento de la topografía del fondo mientras se mueve. Además, la inmunidad al ruido de la ecosonda se incrementa mediante un filtro de impulsos de software que la protege del ruido aleatorio. Cuando el filtro está habilitado, solo se muestran en el indicador aquellas señales reflejadas, cuyos valores durante el período de medición (0,1 s) han cambiado en no más de 1/50 del límite de medición habilitado. El dispositivo está alimentado por seis elementos A316 y su rendimiento se mantiene cuando el voltaje cae a 6 V. La corriente consumida se encuentra en el rango de 7 ... 8 mA (sin tener en cuenta la corriente a través de los LED - 10 mA para cada LED encendido). La ecosonda ofrece la posibilidad de cambiar rápidamente el límite de medición, el número de reflejos reflejados, así como ajustar la eficiencia de TVG. El filtro de impulsos se puede desactivar si es necesario. Los valores de todos los parámetros se pueden almacenar en la memoria en el modo de bajo consumo ("SLEEP"). En este modo, la corriente consumida por el dispositivo es de unos 70 μA, lo que prácticamente no afecta a la duración de la batería. La ecosonda consta de cuatro unidades funcionalmente completas: un generador de impulsos de sondeo, un receptor, una unidad de control y una unidad de indicación (Fig. 1).
El diagrama esquemático del generador de impulsos de sondeo se muestra en la fig. 2.
El generador de pulsos maestro está ensamblado en un chip DD1. Genera pulsos con una frecuencia de 600 kHz, que luego se divide en dos por un disparador en el chip DD2. Se ensambla una etapa de búfer en el microcircuito DD3, haciendo coincidir el disparador con un amplificador de potencia hecho de acuerdo con un circuito push-pull en los transistores compuestos VT1, VT2 y el transformador T1. Desde su devanado secundario, las oscilaciones eléctricas con una frecuencia de 300 kHz se alimentan a un emisor piezocerámico - sensor BQ1 y se emiten al ambiente externo en forma de paquetes ultrasónicos. El funcionamiento del generador está permitido si hay un nivel de cero lógico en los pines 12, 13 del chip DD1 y 4, 6 del chip DD2. Un pulso de habilitación con una duración de 50 µs llega al generador al comienzo de cada ciclo de medición desde el dispositivo de control (Fig. 3). Todas las señales necesarias para el funcionamiento del dispositivo forman un microcontrolador DD1 de un solo chip (AT89S2051). Los códigos de máquina del programa de control ubicados en la memoria de programa interna del microcontrolador se muestran en la tabla.
Las sumas de comprobación se calcularon utilizando el algoritmo "Radio-86RK". Los transistores VT1-VT4 están equipados con un estabilizador de voltaje de 5 V. Sus rasgos característicos son un pequeño consumo de corriente - 25 μA y una pequeña caída de voltaje en el transistor de control - menos de 1 V. El transistor VT5 apaga la alimentación del receptor en el modo "SLEEP", que, como se indica más arriba, reduce el consumo de corriente.
La señal de pulso reflejada desde la parte inferior se recibe en el intervalo entre transmisiones por el emisor-sensor y se alimenta a la entrada del receptor (Fig. 4), donde es amplificada por un amplificador resonante de tres etapas basado en transistores VT1, VT2 , VT4-VT7, después de lo cual es detectado por los diodos VD4, VD5. El disparador Schmitt en los transistores VT8, VT9 genera niveles lógicos estándar. Los diodos VD1, VD2 protegen la entrada del receptor contra sobrecargas. El transistor VT3 realiza las funciones de un elemento de control VAG, que cambia la ganancia de la cascada en los transistores VT1, VT2 en un amplio rango.
La forma del voltaje de control en el capacitor C1 con la máxima eficiencia del TVG se muestra en la fig. 5.
La duración de la carga del capacitor está determinada por la constante de tiempo del circuito R2C1, y el nivel de voltaje más bajo está determinado por la resistencia de la resistencia R4 y la duración del pulso de descarga del dispositivo de control, que puede variar de 0 a 1,25 EM. En consecuencia, la eficiencia del TVG también cambia, lo que le permite ajustar rápidamente la sensibilidad de la ecosonda para condiciones de funcionamiento específicas. Desde el colector VT9, el pulso reflejado generado se alimenta a la salida P3.2 del microcontrolador DD1 del dispositivo de control para su posterior procesamiento. El diagrama de la unidad de visualización se muestra en la fig. 6. Es un registro de desplazamiento de 32 bits en cuatro microcircuitos DD1-DD4 (K561IR2) con emisores seguidores en la salida.
Las resistencias R1-R30 establecen una corriente de 10 mA a través de los LED HL1-HL30. Con esta corriente, el indicador es claramente visible en cualquier clima. Los dos últimos bits del chip DD4 no se utilizan. Los LED HL1-HL26 forman la escala principal del indicador, y HL27-HL30 indican el límite de medición, el número de reflejos mostrados y la inclusión de un filtro de ruido de pulso. Su ubicación en el panel frontal se muestra en la Fig. 7.
Los botones SB1-SB4 (ver Fig. 1) también se muestran en el panel frontal, con su ayuda, cambian rápidamente los modos de funcionamiento de la ecosonda. El diseño del sensor-emisor ultrasónico se ilustra en la Fig. 8. Se trata de una placa redonda 1 de 31 mm de diámetro y 6 mm de espesor fabricada en piezocerámica TsTS-19 con una frecuencia de resonancia de 300 kHz. Se sueldan tres piezas de alambre MGTF-0,1 a los planos plateados de la placa con aleación de Wood. Los puntos de soldadura deben ubicarse en el borde de la placa y espaciados uniformemente alrededor de su circunferencia.
El sensor se ensambla en una copa de aluminio 3 a partir de un condensador de óxido con un diámetro de aproximadamente 40 y una longitud de 30...40 mm. En el centro de la parte inferior del vidrio, se perfora un orificio para el accesorio 5, a través del cual ingresa un cable coaxial flexible 6 1 ... 2,5 m de largo, que conecta el sensor con la ecosonda. La placa del sensor está pegada a un disco de goma blanda microporosa 2 con un espesor de 5...10 mm y un diámetro igual al diámetro de la placa. Las conexiones soldadas al elemento piezoeléctrico se ensamblan en un haz de modo que su eje coincida con el eje del elemento piezoeléctrico. Durante la instalación, la malla del cable se suelda al accesorio, el conductor central, a los terminales del revestimiento del sensor pegado al disco de goma, los cables del otro revestimiento, a la malla del cable. Los bastidores tecnológicos 4 fijan la posición de la placa para que su superficie se profundice en el vidrio 2 mm por debajo de su borde. El vidrio se fija estrictamente verticalmente y se vierte hasta el borde con epoxi. En este caso, debe asegurarse de que no haya burbujas de aire en él. La ecosonda utiliza piezas de uso común. La bobina L1 del generador se enrolla en un marco con un diámetro de 5 mm con un recortador 1000НН. Contiene 110 vueltas de cable PEV 0,12. El transformador T1 está hecho en un circuito magnético anular K16x8x6 mm de ferrita M1000NM. El devanado primario está enrollado en dos cables y contiene 2x20, el secundario: 150 vueltas de cable PEV 0,21. Se coloca una capa de tela barnizada entre los devanados. Las bobinas del receptor están enrolladas en marcos de los circuitos de FI (465 kHz) de los receptores de bolsillo. Las bobinas de bucle L1, L3, L5 contienen cada una 90, y las bobinas de comunicación L2 y L4 contienen cada una 10 vueltas de cable PEV 0,12. También puede usar circuitos de FI listos para usar de receptores de bolsillo de los años 70 y 80, eligiendo condensadores para obtener una frecuencia de resonancia de 300 kHz. Los condensadores C1, C2 del generador y C5, C9, C13 del receptor deben tener un TKE pequeño (no peor que M75), por ejemplo, los condensadores KSO-G, KM-5, KM-6 son adecuados. Condensador C1 del receptor - K73-17. Indicadores LED HL1-HL30 de un resplandor rojo de forma rectangular, por ejemplo KIPM01B-1K. Transistores de efecto de campo VT2, VT4 del estabilizador (ver Fig. 3) - KP303, KP307 con cualquier índice de letras, pero con un voltaje de corte de no más de 2 V. El microcontrolador AT89C2051 se puede reemplazar con AT89C51 o 87C51. En este caso, es necesario tener en cuenta las diferencias en la numeración de las conclusiones. El análogo doméstico de 87C51 es KR1830BE751. El uso del microcontrolador KR1830BE31 con memoria de programa externa no es práctico, ya que esto aumentará significativamente el consumo de corriente y las dimensiones del dispositivo. Puede familiarizarse con la estructura interna y el sistema de comando del microcontrolador en detalle en [1]. No hay requisitos especiales para el resto de los detalles. Todas las unidades de sonda se pueden montar en una o más placas de circuito impreso, cuyas dimensiones y configuración están determinadas por las dimensiones de la carcasa disponible, así como por las piezas utilizadas. Es deseable montar el receptor en una placa separada "en línea" y colocarlo en la carcasa lo más lejos posible del dispositivo de control. Para reducir el calentamiento de la luz solar directa, la carcasa debe ser liviana. El establecimiento de la ecosonda comienza con la instalación de +5 V en la salida del estabilizador del dispositivo de control de voltaje, esto se hace usando la resistencia R5. En este caso, el chip DD1 debe retirarse del zócalo. Después de instalar el microcontrolador en su lugar, es necesario asegurarse de que el dispositivo de control y la unidad de visualización estén operativos. Después de encender la alimentación, uno de los LED de la escala adicional (HL27-HL30) debe encenderse en el indicador, indicando el límite de medición. Al presionar los botones SB2 "Up" y SB3 "Down", puede cambiar los límites de medición. Una sola pulsación del botón "Seleccionar" del SB4 cambia el dispositivo al modo de configuración del número de reflejos reflejados. Del mismo modo, presionando los botones SB2 y SB3, puede cambiar este número de 1 a 4, lo que se indica mediante un LED parpadeante en la escala límite. La próxima vez que presione el botón SB4, se activa el modo de configuración del grado de VAGC, que también está regulado por los botones SB2 o SB3 y se indica mediante un LED parpadeante en la escala de profundidad principal. Al presionar nuevamente el botón SB4, también puede apagar o encender el filtro de ruido de pulso usando los botones SB2 y SB3, respectivamente. Finalmente, la cuarta pulsación del botón SB4 devuelve el dispositivo al modo principal de cambio de límites. En todos los modos, los pulsos reflejados (si los hay) se mostrarán en el indicador de profundidad, y si la profundidad es mayor que el límite establecido, el último indicador LED de profundidad, HL26, parpadeará en el modo principal. Para memorizar los modos seleccionados, mantenga pulsado el botón SB4 durante unos 2 s. Después de eso, el indicador se apaga y el dispositivo ingresa al modo de bajo consumo "SLEEP". La salida de este modo ocurre cuando presiona el botón SB1 "Reset". Sin embargo, si presiona SB1 en el modo operativo, todos los parámetros se restablecerán al estado original registrado en la ROM. Después de asegurarse de que el microcontrolador funciona correctamente, proceden a configurar el generador de pulsos de sondeo. Primero, debe usar un osciloscopio para asegurarse de que haya un pulso negativo con una duración de 50 μs con un período de 100 ms en el pin P1.0 del microcontrolador. Luego se conecta el osciloscopio en paralelo al emisor-sensor y se observan los pulsos de sondeo generados. Su amplitud puede alcanzar los 100 V. Al sumergir el emisor en un recipiente con agua de al menos 40 cm de profundidad, también se pueden observar los pulsos reflejados. Al girar el trimmer de bobina L1, debe sintonizar el generador a la frecuencia resonante del emisor, centrándose en la amplitud máxima de los pulsos reflejados. La amplitud del primero de ellos puede llegar a 5...10 V. La amplitud del pulso de sondeo es prácticamente independiente de la frecuencia. El establecimiento del receptor comienza con la configuración de los modos de transistor para corriente continua de acuerdo con los indicados en el diagrama del circuito. Esta operación debe realizarse con el microcontrolador extraído del zócalo. Si es necesario, los modos se pueden ajustar con resistencias divisoras en el circuito del transistor base. Luego debe sintonizar los circuitos resonantes a la frecuencia del generador. Para ello, el emisor situado en el aire se coloca a una distancia de 15 ... 20 cm de cualquier obstáculo y, mediante un osciloscopio, se ajustan los circuitos según la amplitud máxima de los pulsos en los colectores VT1, VT4, VT6. En este caso hay que tener en cuenta que el patrón de radiación del emisor en el aire es muy estrecho. A medida que sintoniza, debe aumentar la eficacia del TVG o aumentar la distancia al obstáculo para evitar el recorte de la señal. Finalmente, los contornos se ajustan observando la señal después del detector en la unión de los elementos R21, C17, C18. Finalmente, al conectar el osciloscopio al colector del transistor VT9, la resistencia trimmer R22 establece el umbral de disparo Schmitt, consiguiendo la máxima sensibilidad y la ausencia de falsos positivos. La sensibilidad del receptor es de unos 15 μV. El trabajo del TVG se controla observando la forma de onda del voltaje en el capacitor C1 del receptor. Si es necesario, se puede cambiar seleccionando los valores de los elementos R4 y C1. La teoría y la práctica de medir la profundidad de los cuerpos de agua con una ecosonda ultrasónica se pueden encontrar en la literatura a continuación [2-7]. Literatura
Autor: I. Khlyupin, Dolgoprudny, Región de Moscú
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