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ENCICLOPÉDIA DE RÁDIO ELETRÔNICA E ENGENHARIA ELÉTRICA Ecobatímetro. Enciclopédia de rádio eletrônica e engenharia elétrica
Enciclopédia de eletrônica de rádio e engenharia elétrica / Casa, casa, passatempo O ecobatímetro trazido ao conhecimento dos leitores pode ser utilizado para determinar a topografia do fundo e medir a profundidade dos reservatórios, buscar objetos afundados e também encontrar os locais mais promissores para a pesca. O dispositivo é muito fácil de configurar, fácil de usar e não requer calibração. O ecobatímetro foi projetado para medir a profundidade de reservatórios em quatro limites: até 2,5; 5; 12,5 e 25 m. A profundidade mínima medida é de 0,3 m. O erro de leitura não excede 4% do valor superior em qualquer limite de medição. O dispositivo é equipado com controle automático temporário de ganho (TAG), que permite alterar seu ganho durante cada ciclo de medição do mínimo para o máximo e, assim, aumenta a imunidade a ruídos. A necessidade de VARU é causada pelo fato de que qualquer radiação de energia acústica na água leva a uma reverberação intensa, ou seja, reflexão repetida do sinal ultrassônico do fundo e da superfície da água. Portanto, em profundidades rasas, podem ocorrer alarmes falsos da unidade de gravação de sinais de eco. Graças ao VAG, o desempenho do dispositivo é significativamente melhorado ao medir profundidades na faixa de 0,3...3 m. O ecobatímetro utiliza como indicador uma escala de profundidade linear, composta por 26 LEDs, nos quais podem ser exibidos até quatro limites de medição refletidos. O período de atualização das informações do indicador é de cerca de 0,1 s, o que facilita o monitoramento da topografia inferior durante o movimento. Além disso, a imunidade a ruídos do ecobatímetro é aprimorada por um filtro de pulso de software que o protege contra interferências aleatórias. Quando o filtro está ligado, o indicador exibe apenas os sinais refletidos cujos valores durante o período de medição (0,1 s) mudaram em não mais que 1/50 do limite de medição incluído. O dispositivo é alimentado por seis elementos A316, e sua funcionalidade é mantida quando a tensão cai para 6 V. O consumo de corrente está na faixa de 7...8 mA (excluindo a corrente através dos LEDs - 10 mA para cada LED aceso ). O ecobatímetro oferece a capacidade de alterar rapidamente o limite de medição, o número de reflexões exibidas, bem como ajustar a eficiência do TVG. O filtro de pulso pode ser desativado se necessário. Os valores de todos os parâmetros podem ser armazenados na memória no modo “SLEEP”. Neste modo, a corrente consumida pelo dispositivo é de cerca de 70 μA, o que praticamente não afeta a vida útil das baterias. O ecobatímetro consiste em quatro unidades funcionalmente completas: um gerador de pulsos de sondagem, um receptor, uma unidade de controle e uma unidade de indicação (Fig. 1).
O diagrama esquemático do gerador de pulsos de sondagem é mostrado na fig. 2.
O gerador de pulsos mestre é montado no chip DD1. Ele gera pulsos com frequência de 600 kHz, que são então divididos em dois por um gatilho no chip DD2. O chip DD3 contém uma cascata de buffer que combina o gatilho com um amplificador de potência feito de acordo com um circuito push-pull usando transistores compostos VT1, VT2 e transformador T1. A partir de seu enrolamento secundário, vibrações elétricas com frequência de 300 kHz são fornecidas a um emissor piezocerâmico - o sensor BQ1 e emitidas para o ambiente externo na forma de mensagens ultrassônicas. O funcionamento do gerador é permitido se houver nível lógico zero nos pinos 12, 13 do chip DD1 e 4, 6 do chip DD2. Um pulso de habilitação com duração de 50 μs chega ao gerador no início de cada ciclo de medição do dispositivo de controle (Fig. 3). Todos os sinais necessários ao funcionamento do dispositivo são gerados por um microcontrolador de chip único DD1 (AT89C2051). Os códigos de máquina do programa de controle localizados na memória interna de programa do microcontrolador são fornecidos na tabela.
As somas de verificação são calculadas usando o algoritmo Radio-86RK. Nos transistores VT1-VT4 é feito um estabilizador para tensão de 5 V. Suas características são um pequeno consumo de corrente - 25 μA e uma baixa queda de tensão no transistor de controle - menos de 1 V. O transistor VT5 desliga a energia do receptor no modo “SLEEP”, o que, conforme indicado acima, reduz o consumo de corrente.
O sinal de pulso refletido de baixo é recebido no intervalo entre os envios pelo emissor-sensor e alimentado na entrada do receptor (Fig. 4), onde é amplificado por um amplificador ressonante de três estágios utilizando os transistores VT1, VT2, VT4-VT7, após o qual é detectado pelos diodos VD4, VD5. O gatilho Schmitt nos transistores VT8, VT9 forma níveis lógicos padrão. Os diodos VD1, VD2 protegem a entrada do receptor contra sobrecarga. O transistor VT3 desempenha as funções de um elemento de controle VAG, que altera o ganho da cascata nos transistores VT1, VT2 em uma ampla faixa.
A forma da tensão de controle no capacitor C1 na eficiência máxima do VAG é mostrada na Fig. 5.
A duração do carregamento do capacitor é determinada pela constante de tempo do circuito R2C1, e o nível de tensão mais baixo é determinado pela resistência do resistor R4 e pela duração do pulso de descarga do dispositivo de controle, que pode variar de 0 a 1,25 ms . Conseqüentemente, a eficiência do TVG muda, o que permite ajustar rapidamente a sensibilidade do ecobatímetro para condições operacionais específicas. Do coletor VT9, o pulso refletido gerado é fornecido ao pino P3.2 do microcontrolador DD1 do dispositivo de controle para processamento posterior. O diagrama da unidade de indicação é mostrado na Fig. 6. É um registrador de deslocamento de 32 bits em quatro microcircuitos DD1-DD4 (K561IR2) com seguidores emissores na saída.
Os resistores R1-R30 definem uma corrente de 10 mA através dos LEDs HL1-HL30. Com esta corrente, o indicador é claramente visível em qualquer clima. Os dois últimos bits do chip DD4 não são usados. Os LEDs HL1-HL26 formam a escala principal do indicador e HL27-HL30 indicam o limite de medição, o número de reflexões exibidas e a inclusão de um filtro de ruído de pulso. A sua colocação no painel frontal é mostrada na Fig. 7.
Os botões SB1-SB4 (ver Fig. 1) também estão localizados no painel frontal, com a ajuda deles você pode alterar rapidamente os modos de operação do ecobatímetro. O projeto do sensor emissor ultrassônico é ilustrado na Fig. 8. É uma placa redonda 1 com diâmetro de 31 e espessura de 6 mm feita de piezocerâmica TsTS-19 com frequência de ressonância de 300 kHz. Três pedaços de fio MGTF-0,1 são soldados aos planos prateados da placa usando liga de Wood. Os pontos de solda devem estar localizados na borda da placa e distribuídos uniformemente em sua circunferência.
O sensor é montado em um copo de alumínio 3 a partir de um capacitor de óxido com diâmetro de cerca de 40 e comprimento de 30...40 mm. No centro do fundo do vidro é feito um furo para encaixe 5, por onde entra um cabo coaxial flexível 6 de 1...2,5 m de comprimento, conectando o sensor ao ecobatímetro. A placa do sensor é colada a um disco feito de borracha microporosa macia 2 com espessura de 5...10 mm e diâmetro igual ao diâmetro da placa. Os terminais soldados ao piezoelemento são montados em um feixe de modo que seu eixo coincida com o eixo do piezoelemento. Durante a instalação, a trança do cabo é soldada à conexão, o condutor central é soldado aos terminais do revestimento do sensor colado ao disco de borracha e os terminais do outro revestimento são soldados à trança do cabo. Os racks tecnológicos 4 fixam a posição da placa de forma que sua superfície fique embutida no vidro 2 mm abaixo de sua borda. O vidro é fixado estritamente verticalmente e preenchido até a borda com resina epóxi. Neste caso, você precisa ter certeza de que não há bolhas de ar nele. O ecobatímetro usa peças comumente usadas. A bobina do gerador L1 é enrolada em uma moldura com diâmetro de 5 mm com um aparador 1000NN. Ele contém 110 voltas de fio PEV 0,12. O transformador T1 é feito em um núcleo magnético de anel K16x8x6 mm feito de ferrite M1000NM. O enrolamento primário é enrolado em dois fios e contém 2x20, o secundário - 150 voltas de fio PEV 0,21. Uma camada de tecido envernizado é colocada entre os enrolamentos. As bobinas do receptor são enroladas em quadros dos circuitos IF (465 kHz) dos receptores de bolso. As bobinas de loop L1, L3, L5 contêm 90, cada uma, e as bobinas de comunicação L2 e L4 contêm, cada uma, 10 voltas de fio PEV 0,12. Você também pode usar circuitos IF prontos de receptores de bolso dos anos 70 e 80, selecionando capacitores para obter uma frequência de ressonância de 300 kHz. Os capacitores C1, C2 do gerador e C5, C9, C13 do receptor devem ter um TKE pequeno (não pior que M75), por exemplo, os capacitores KSO-G, KM-5, KM-6 são adequados. Capacitor receptor C1 - K73-17. LEDs indicadores retangulares vermelhos HL1-HL30, por exemplo KIPM01B-1K. Transistores de efeito de campo VT2, VT4 do estabilizador (ver Fig. 3) - KP303, KP307 com qualquer índice de letras, mas com tensão de corte não superior a 2 V. O microcontrolador AT89S2051 pode ser substituído por AT89S51 ou 87S51. Neste caso, é necessário levar em consideração as diferenças na numeração dos pinos. O análogo doméstico do 87S51 é o KR1830BE751. A utilização de um microcontrolador KR1830BE31 com memória de programa externa não é aconselhável, pois aumentará significativamente o consumo de corrente e as dimensões do dispositivo. Você pode aprender mais sobre a estrutura interna e o sistema de comando do microcontrolador em [1]. Não há requisitos especiais para outras peças. Todas as unidades de ecobatímetro podem ser montadas em uma ou mais placas de circuito impresso, cujas dimensões e configuração são determinadas pelas dimensões da caixa disponível, bem como pelas peças utilizadas. É aconselhável montar o receptor em uma placa separada “em linha” e colocá-lo na caixa o mais longe possível do dispositivo de controle. Para reduzir o aquecimento causado pela luz solar direta, a caixa deve ser leve. A configuração do ecobatímetro começa com a instalação de um dispositivo de controle de tensão de +5 V na saída do estabilizador, isso é feito usando o resistor R5. Neste caso, o chip DD1 deve ser removido do soquete. Depois de instalar o microcontrolador no lugar, você precisa ter certeza de que o dispositivo de controle e a unidade de exibição estão funcionando. Após ligar a alimentação, um dos LEDs adicionais da escala (HL27-HL30) deverá acender no indicador, indicando o limite de medição. Ao pressionar os botões SB2 “Up” e SB3 “Down”, você pode alternar os limites de medição. Pressionar o botão “Selecionar” do SB4 uma vez muda o dispositivo para o modo de configuração do número de reflexões exibidas. Da mesma forma, pressionando os botões SB2 e SB3, você pode alterar este número de 1 a 4, que é indicado por um LED piscando na escala limite. Na próxima vez que você pressionar o botão SB4, será ativado o modo de configuração do grau de VARU, que também é ajustado pelos botões SB2 ou SB3 e é indicado por um LED piscando na escala de profundidade principal. Ao pressionar novamente o botão SB4, você pode desligar ou ligar o filtro de ruído de pulso também usando os botões SB2 e SB3, respectivamente. Finalmente, o quarto toque no botão SB4 retorna o dispositivo ao modo de comutação de limite principal. Em todos os modos, os pulsos refletidos (se houver) serão exibidos no indicador de profundidade, e caso a profundidade seja maior que o limite definido, no modo principal o último LED do indicador de profundidade - HL26 - piscará. Para memorizar os modos selecionados, pressione e segure o botão SB4 por cerca de 2 s. Depois disso, o indicador apaga e o dispositivo entra no modo de baixo consumo “SLEEP”. Este modo é encerrado pressionando o botão "Reset" do SB1. Porém, se você pressionar SB1 no modo de operação, todos os parâmetros serão redefinidos para seu estado original gravado na ROM. Certificando-se de que o microcontrolador está funcionando corretamente, eles procedem à configuração do gerador de pulsos da sonda. Primeiramente, é necessário utilizar um osciloscópio para verificar a presença de um pulso negativo com duração de 50 μs e período de 100 ms no pino P1.0 do microcontrolador. Em seguida, o osciloscópio é conectado em paralelo ao sensor-emissor e os pulsos de sondagem gerados são observados. Sua amplitude pode chegar a 100 V. Ao abaixar o emissor em um recipiente com água com pelo menos 40 cm de profundidade, pulsos refletidos também podem ser observados. Ao girar o trimmer da bobina L1, deve-se ajustar o gerador à frequência de ressonância do emissor, focando na amplitude máxima dos pulsos refletidos. A amplitude do primeiro deles pode atingir 5...10 V. A amplitude do pulso de sondagem é praticamente independente da frequência. A configuração do receptor começa com a configuração dos modos do transistor para corrente contínua de acordo com os indicados no diagrama de circuito. Esta operação deve ser realizada com o microcontrolador retirado da tomada. Se necessário, os modos podem ser ajustados usando resistores divisores no circuito base dos transistores. Então você precisa sintonizar os circuitos ressonantes na frequência do gerador. Para isso, o emissor localizado no ar é colocado a uma distância de 15...20 cm de qualquer obstáculo e, por meio de um osciloscópio, os circuitos são ajustados de acordo com a amplitude máxima dos pulsos nos coletores VT1, VT4, VT6. Deve-se levar em conta que o padrão de radiação do emissor no ar é muito estreito. Ao ajustar, você deve aumentar a eficiência do VAG ou aumentar a distância até o obstáculo para evitar corte de sinal. Os circuitos são finalmente ajustados observando o sinal após o detector no ponto de conexão dos elementos R21, C17, C18. Por fim, ao conectar o osciloscópio ao coletor do transistor VT9, o resistor de sintonia R22 define o limite de disparo do gatilho Schmitt, alcançando sensibilidade máxima e ausência de falsos alarmes. A sensibilidade do receptor é de cerca de 15 µV. A operação do VAG é controlada observando a forma de onda de tensão no capacitor receptor C1. Se necessário, pode ser alterado selecionando os valores dos elementos R4 e C1. A teoria e a prática de medição da profundidade de reservatórios com ecobatímetro ultrassônico podem ser encontradas na literatura abaixo [2-7]. Literatura
Autor: I. Khlyupin, Dolgoprudny, Região de Moscou
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