Dieses GerĂ€t entstand bei der Arbeit an einem Projekt fĂŒr einen Tauchcomputer, der in seiner Zusammensetzung einen Sonar-Entfernungsmesser mit schmalem Strahl haben sollte. Entweder haben wir schlecht gesucht oder es war tatsĂ€chlich nichts fĂŒr die Parameter geeignetes auf dem Markt verfĂŒgbar, aber am Ende haben wir uns entschlossen, unseren Entfernungsmesser fĂŒr einen Tauchcomputer zu erfinden, anstatt ein fertiges Modul zu erwerben. DarĂŒber hinaus schien der Prozess der Integration in ein kompaktes ComputergehĂ€use einfacher zu sein, wenn der Emitter und die elektronische Schaltung entsprechend dem freien Raum innerhalb des GehĂ€uses getrennt wurden.
WĂ€hrend der Tauchcomputer in den FlĂŒgeln wartet, kam uns der Gedanke: Was ist, wenn der Entfernungsmesser in ein separates Projekt unterteilt ist? Da wir Schwierigkeiten hatten, das richtige Modul fĂŒr den Unterwasser-Entfernungsmesser zu finden, hatte wahrscheinlich jemand anderes Ă€hnliche Suchschwierigkeiten.
Die anfÀnglichen Anforderungen an das Modul wurden wie folgt ermittelt:
- einfache digitale Schnittstelle. Idealerweise ein UART mit Textbefehlen / Antworten.
- Versorgungsspannung - 5 Volt
- so kompaktes wasserdichtes GehÀuse wie möglich
Um die ErzÀhlung nicht zu verzögern, gebe ich sofort das erste Arbeitsschema mit einigen ErklÀrungen im Text.
Wie Sie sehen können, handelt es sich bei dem Schema um eine klassische Version, die bedingt in drei Hauptblöcke unterteilt ist:
Der STM32F302K8U6 MK wurde als Steuerelement als gute Kombination aus Preis, Leistung und Abmessungen ausgewĂ€hlt. Der Verantwortungsbereich dieser Einheit besteht darin, ein Signal fĂŒr die sendende Einheit zu erzeugen, das Signal von der empfangenden Einheit zu digitalisieren und zu verarbeiten und Benutzeranwendungen den Zugriff auf die Konfiguration des Systems und der Messdaten in einem fĂŒr sie geeigneten Format zu ermöglichen.
Die Sendeeinheit enthĂ€lt: einen Gate-Treiber, Leistungsschalter, einen Matching-Step-Up-Transformator und eine antiparallele Anordnung von Dioden. Das letzte Element ist in solchen Schemata im Allgemeinen nicht erforderlich, spielt jedoch in unserem Fall eine wichtige Rolle beim "Trennen" des Transformators in der Empfangsstufe, wenn der Wert der effektiven Spannung am piezoelektrischen Element niedriger als die Ăffnungsspannung der Dioden ist, wodurch die Eingangsstufe des VerstĂ€rkers des empfangenen Signals isoliert wird Transformator.
Die Empfangseinheit stellt höchste Anforderungen an die QualitĂ€t der Leistung, von deren Arbeit fast alles abhĂ€ngt. Einerseits muss es im Stadium der Abtastimpulserzeugung Hunderte von Volt am Eingang verdauen. Andererseits soll eine SignalverstĂ€rkung mit einer Amplitude in der GröĂenordnung von Mikrovolt mit einem akzeptablen Signal-Rausch-VerhĂ€ltnis und bis zu dem Grad der zuverlĂ€ssigen Erfassung und Erfassung auf dem ADC bereitgestellt werden. Zwei Komponenten sind fĂŒr die FĂ€higkeit verantwortlich, bei Hunderten von Volt am Eingang sicher und einwandfrei zu bleiben: ein Hochspannungskondensator C2, bei dem ein Wechselstrom begrenzt ist, und eine antiparallele Diodenanordnung, die die Spannung auf akzeptable Werte begrenzt. Es ist anzumerken, dass diese Schaltung ihre Aufgabe nur in einem gepulsten Modus mit einer Dauer in der GröĂenordnung von zehn Mikrosekunden ausfĂŒhren kann.
Drei Kaskaden aktiver Bandpassfilter sind fĂŒr die SignalverstĂ€rkung verantwortlich, von denen die letzten beiden Schmalbandfilter zweiter Ordnung sind, die eine gute FrequenzselektivitĂ€t bieten. Auf Kosten einer guten FrequenzselektivitĂ€t ist jedoch ein strengerer Ansatz fĂŒr die Auswahl von Fehlern fĂŒr Frequenzeinstellungskomponenten erforderlich, da sonst die StabilitĂ€t der Parameter von Instanz zu Instanz nicht gewĂ€hrleistet wird. Innerhalb des Budgets des GerĂ€ts betrugen die Fehler fĂŒr unsere Aufgabe 0,1% fĂŒr WiderstĂ€nde und 0,5% fĂŒr Kondensatoren. Weiter gemÀà dem Schema: ein Amplitudendetektor und ein passives Tiefpassfilter, um den ResttrĂ€ger zu unterdrĂŒcken, der durch den Detektor geleitet wird.
Was den akustischen Teil des GerÀts betrifft, der im Schaltplan nicht sichtbar ist, ist hier das Grundelement die piezoelektrische Scheibe DZHGK.757681.008-172 mit einem Durchmesser von 12,9 mm, einer Dicke von 3,1 mm und einer Resonanzfrequenz von 640 kHz. Dieses Element ist sowohl der Sender des Sondenimpulses als auch der EmpfÀnger des reflektierten Signals. Von der Seite der aquatischen Umwelt wird es durch ein Viertelwellen-Anpassungselement (Polyurethanharz) isoliert. Zusammen mit der analogen Schaltung trÀgt das Design des Senders / EmpfÀngers wesentlich zur QualitÀt des gesamten GerÀts bei. Die Schallgeschwindigkeit in Kunststoff, der als passendes / isolierendes Element im Emitter verwendet wird, betrÀgt 2400 m / s. Dies ergab, dass die Dicke des passenden Elements 0,9 mm betrÀgt.
Es gab einige Fehler im Prototyp der Leiterplatte, aber durch die Montage haben wir dafĂŒr gesorgt, dass dieses GerĂ€t im minimal akzeptablen Modus funktioniert. Dies war ausreichend, um die Eigenschaften des Strahlungsmusters zu entfernen.
Als Bench fĂŒr die Richtungsmessung haben wir uns nichts Besseres vorgestellt als die Verwendung eines mit Wasser gefĂŒllten Kunststofftrogs, in dem unser Entfernungsmesser-Modul als Sender installiert ist. In kurzer Entfernung davon ist ein EmpfĂ€nger ein piezoelektrisches Element, das mit einem Oszilloskop verbunden ist. Das Entfernungsmesser-Modul kann von 0 nach 180 ° von links nach rechts gedreht werden. Zu diesem Zeitpunkt nehmen wir ein Oszillogramm vom EmpfĂ€nger und bestimmen die Amplitude des empfangenen Signals in AbhĂ€ngigkeit vom Drehwinkel des Emitters.
Unten sehen Sie eine grafische Darstellung des endgĂŒltigen Strahlungsmusters.
Weitere Messungen wurden in einem spontanen Pool durchgefĂŒhrt - einem mit Wasser gefĂŒllten Kunststoffrohr bis zu einer Höhe von 1 Meter. Ăbrigens konnten drei Reflexionen am Boden und an der WasseroberflĂ€che festgestellt werden, bevor das Signal vollstĂ€ndig verschwand.
Da wir uns (in der ersten Phase) fĂŒr die Verwendung der UART-Schnittstelle mit einfachen Textbefehlen entschieden haben, war es nicht schwierig, ein BĂŒndel des Entfernungsmessermoduls mit der GUI auf einem Computer zu implementieren, auf dem Processing ausgefĂŒhrt wird.
Auf dem Foto - ein Versuch, den Boden eines lokalen Reservoirs mit einem Boot mit einem Entfernungsmesser-Modul und einem Funksender zu scannen, um Daten vom Modul an einen Laptop zu empfangen. Leider denken Sie in Momenten aufregender Tests eines StĂŒcks Eisen am wenigsten an die QualitĂ€t der Prozessfotos.
Mit der Smartphone-Anwendung Bluetooth Electronics und dem USB-> UART-Konverter können Sie eine mobilere Version des Testaufbaus implementieren.
Wir arbeiten derzeit am nÀchsten Prototyp des Entfernungsmessermoduls, da es wirklich etwas zu verbessern gibt.
Realisieren Sie beispielsweise eine allmĂ€hliche VerstĂ€rkung des Eingangssignals, damit die Reflexion von nahe gelegenen Objekten nicht ĂŒberrollt und die VerstĂ€rkung von entfernten Objekten maximal ist. Wenden Sie möglicherweise eine billigere Elementbasis an. ErwĂ€gen Sie die Möglichkeit, den Innenraum mit einer Art Verbindung oder Silikonöl zu fĂŒllen, um den hohen Druck abzudichten und ihm standzuhalten.
Wir sehen uns in der nÀchsten Ausgabe!