Cet appareil est né dans le processus de travail sur un projet d'ordinateur de plongée, qui dans sa composition aurait dû avoir un télémètre sonar à faisceau étroit. Soit nous avons mal cherché, soit, en effet, rien de adapté aux paramètres n'était disponible sur le marché, mais au final, au lieu d'acquérir un module prêt à l'emploi, nous avons décidé d'inventer notre télémètre pour un ordinateur de plongée. De plus, le processus d'intégration dans un boîtier d'ordinateur compact semblait plus facile lorsque l'émetteur et le circuit électronique étaient séparés en fonction de l'espace libre à l'intérieur du boîtier.
Pendant que l'ordinateur de plongée attend dans les coulisses, la pensée nous est venue: que faire si le télémètre est séparé en un projet distinct? Comme nous avons eu du mal à trouver un module approprié pour un télémètre sous-marin, quelqu'un d'autre a probablement eu des difficultés de recherche similaires.
Les exigences initiales pour le module ont été identifiées comme suit:
- interface numérique simple. Idéalement, un UART avec des commandes / réponses textuelles.
- tension d'alimentation - 5 Volts
- boîtier étanche aussi compact que possible
Afin de ne pas retarder le récit, je donne immédiatement le schéma de travail initial avec quelques explications dans le texte.
Comme vous pouvez le voir, le schéma est une version classique, conditionnellement divisée en trois blocs principaux:
Le STM32F302K8U6 MK a été choisi comme élément de contrôle, comme une bonne combinaison de prix, de performances et de dimensions. Le domaine de responsabilité de cette unité est de générer un signal pour l'unité d'émission, de numériser et de traiter le signal de l'unité de réception et de fournir aux applications utilisateur un accès pour configurer le système et les données de mesure dans un format qui leur convient.
L'unité de transmission contient: un pilote de grille, des interrupteurs d'alimentation, un transformateur élévateur d'adaptation, un montage anti-parallèle de diodes. Le dernier élément, d'une manière générale, n'est pas nécessaire dans de tels schémas, mais, dans notre cas, joue un rôle important dans la «déconnexion» du transformateur à l'étage de réception, lorsque la valeur de la tension effective sur l'élément piézoélectrique est inférieure à la tension d'ouverture des diodes, ce qui permet d'isoler l'étage d'entrée de l'amplificateur du signal reçu de transformateur.
L'unité de réception est la plus exigeante sur la qualité de la performance, sur le travail dont presque tout dépend. D'une part, il doit digérer des centaines de volts en entrée au stade de la génération d'impulsions de sondage. D'autre part, pour fournir une amplification du signal avec une amplitude de l'ordre des microvolts avec un rapport signal / bruit acceptable et jusqu'au niveau de détection et de capture fiables sur l'ADC. Deux composants sont responsables de la capacité de rester sûr et sain à des centaines de volts à l'entrée: un condensateur haute tension C2, sur lequel un courant alternatif est limité, et un ensemble de diodes anti-parallèle qui limite la tension à des valeurs acceptables. Il est à noter que ce circuit n'est capable d'exécuter sa tâche qu'en mode pulsé avec une durée de l'ordre de dizaines de microsecondes.
Trois niveaux de filtres passe-bande actifs sont responsables de l'amplification du signal, dont les deux derniers sont des filtres à bande étroite du deuxième ordre qui offrent une bonne sélectivité en fréquence. Cependant, le coût d'une bonne sélectivité en fréquence est une approche plus rigoureuse de la sélection des erreurs pour les composants de réglage de fréquence, sinon cela n'assurera pas la stabilité des paramètres d'une instance à l'autre. Dans le budget de l'appareil, les erreurs pour notre tâche se sont avérées être de 0,1% pour les résistances et de 0,5% pour les condensateurs. De plus selon le schéma: un détecteur d'amplitude et un filtre passe-bas passif, pour supprimer la porteuse résiduelle traversant le détecteur.
Quant à la partie acoustique de l'appareil, qui n'est pas visible sur le schéma électrique, ici l'élément de base est le disque piézoélectrique DZHGK.757681.008-172, de 12,9 mm de diamètre, 3,1 mm d'épaisseur, et une fréquence de résonance de 640 kHz. Cet élément est à la fois l'émetteur de l'impulsion de sonde et le récepteur du signal réfléchi. Du côté du milieu aquatique, il est isolé par un élément d'adaptation quart d'onde (résine polyuréthane). Avec le circuit analogique, la conception de l'émetteur / récepteur contribue grandement à la qualité de l'appareil dans son ensemble. La vitesse du son en plastique, utilisé comme élément d'adaptation / isolant dans l'émetteur, est de 2400 m / s. Cela a déterminé que l'épaisseur de l'élément correspondant est de 0,9 mm.
Il y avait quelques défauts dans le prototype de la carte de circuit imprimé, mais en le montant, nous avons fait fonctionner cet appareil dans le mode minimum acceptable. Cela suffisait à supprimer les caractéristiques du diagramme de rayonnement.
En tant que banc de mesure de la directivité, nous n'avons pas pensé à mieux que d'utiliser un bac en plastique plein d'eau, dans lequel notre module télémètre est installé comme émetteur, et à une courte distance de celui-ci, un récepteur est un élément piézoélectrique connecté à un oscilloscope. Le module télémètre peut tourner de gauche à droite de 0 à 180 °, à ce moment, nous prenons un oscillogramme du récepteur et déterminons l'amplitude du signal reçu en fonction de l'angle de rotation de l'émetteur.
Voici un graphique du diagramme de rayonnement final.
D'autres mesures ont été effectuées dans une piscine impromptue - un tuyau en plastique rempli d'eau à une hauteur de 1 mètre. Au fait, il a été possible de détecter trois reflets du fond et de la surface de l'eau avant que le signal ne disparaisse complètement.
Puisque nous avons décidé d'utiliser l'interface UART avec des commandes de texte simples (au premier stade), il n'a pas été difficile d'implémenter un ensemble du module de télémètre avec l'interface graphique sur un ordinateur exécutant Processing.
Sur la photo - une tentative de balayage du fond d'un réservoir local à l'aide d'un bateau avec un module télémètre et un émetteur radio installé pour recevoir des données du module vers un ordinateur portable. Malheureusement, pendant les moments de test passionnant d'un morceau de fer, vous pensez le moins à la qualité des photos du processus.
Et en utilisant l'application smartphone Bluetooth Electronics et le convertisseur USB-> UART, vous pouvez implémenter une version plus mobile de la configuration de test.
Nous travaillons actuellement sur le prochain prototype du module télémètre, car il y a vraiment quelque chose à améliorer.
Par exemple, pour réaliser une amplification progressive du signal d'entrée afin que la réflexion des objets voisins ne se renverse pas et que l'amplification des objets distants maximaux soit maximale. Peut-être appliquer une base élémentaire moins chère. Envisagez l'option de remplir l'intérieur d'une sorte de composé ou d'huile de silicone pour sceller et résister aux hautes pressions.
A bientôt dans le prochain numéro!