Este dispositivo nasceu no processo de trabalhar em um projeto para um computador de mergulho, que em sua composição deveria ter um rangefinder de sonar de feixe estreito. Ou pesquisamos mal ou, de fato, nada de adequado para os parâmetros estava disponível no mercado, mas no final, em vez de adquirir um módulo pronto, decidimos inventar nosso telêmetro para um computador de mergulho. Além disso, o processo de integração em uma caixa compacta de computador parecia mais fácil quando o emissor e o circuito eletrônico foram separados de acordo com o espaço livre dentro da caixa.
Enquanto o computador de mergulho está esperando nas asas, o pensamento nos ocorreu: e se o telêmetro for separado em um projeto separado? Como tivemos dificuldade em encontrar o módulo certo para o telêmetro subaquático, alguém provavelmente teve dificuldades de pesquisa semelhantes.
Os requisitos iniciais para o módulo foram identificados da seguinte forma:
- interface digital simples. Idealmente, um UART com comandos / respostas de texto.
- tensão de alimentação - 5 Volts
- carcaça impermeável o mais compacta possível
Para não atrasar a narrativa, dou imediatamente ao esquema de trabalho inicial algumas explicações no texto.
Como você pode ver, o esquema é uma versão clássica, dividida condicionalmente em três blocos principais:
- Gerente
- Transmissão
- Anfitrião
O STM32F302K8U6 MK foi escolhido como elemento de controle, como uma boa combinação de preço, desempenho e dimensões. A área de responsabilidade desta unidade é gerar um sinal para a unidade transmissora, digitalizar e processar o sinal da unidade receptora e fornecer aos aplicativos do usuário acesso para configurar o sistema e os dados de medição em um formato conveniente para eles.
A unidade transmissora contém: um driver de porta, interruptores de energia, transformador intensificador de correspondência, conjunto de diodos anti-paralelo. O último elemento, de um modo geral, não é necessário nesses esquemas, mas, no nosso caso, desempenha um papel importante em "desconectar" o transformador no estágio de recebimento, quando o valor da tensão efetiva no elemento piezoelétrico é menor que a tensão de abertura dos diodos, o que ajuda a isolar o estágio de entrada do amplificador do sinal recebido do transformador.
A unidade receptora é a mais exigente em termos de qualidade de desempenho, da qual quase tudo depende. Por um lado, ele deve digerir centenas de volts na entrada no estágio de geração da pulsação. Por outro lado, fornecer amplificação de sinal com uma amplitude da ordem de microvolts com uma relação sinal-ruído aceitável e até o nível de detecção e captura confiável no ADC. Dois componentes são responsáveis pela capacidade de permanecer sãos e salvos a centenas de volts na entrada: um capacitor de alta tensão C2, no qual uma corrente CA é limitada, e um conjunto de diodos antiparalelo que limita a tensão a valores aceitáveis. Vale ressaltar que esse circuito é capaz de executar sua tarefa apenas em modo pulsado, com uma duração da ordem de dezenas de microssegundos.
Três cascatas de filtros de banda ativos são responsáveis pela amplificação do sinal, das quais as duas últimas são filtros de banda estreita de segunda ordem que fornecem boa seletividade de frequência. No entanto, o custo de uma boa seletividade de frequência é uma abordagem mais rigorosa para a seleção de erros para componentes de configuração de frequência; caso contrário, não garantirá a estabilidade dos parâmetros de instância para instância. Dentro do orçamento do dispositivo, os erros de nossa tarefa foram 0,1% para resistores e 0,5% para capacitores. Ainda de acordo com o esquema: um detector de amplitude e um filtro passa-baixo passivo, para suprimir a transportadora residual passada pelo detector.
Quanto à parte acústica do dispositivo, que não é visível no diagrama de circuitos, aqui o elemento básico é o disco piezoelétrico DZHGK.757681.008-172, 12,9 mm de diâmetro, 3,1 mm de espessura e uma frequência ressonante de 640 kHz. Esse elemento é o emissor do pulso da sonda e o receptor do sinal refletido. Do lado do ambiente aquático, é isolado por um elemento correspondente de quarto de onda (resina de poliuretano). Juntamente com o circuito analógico, o design do emissor / receptor faz uma grande contribuição para a qualidade do dispositivo como um todo. A velocidade do som no plástico, usada como elemento de correspondência / isolamento no emissor, é de 2400 m / s. Isso determinou que a espessura do elemento correspondente é 0,9 mm.
Havia algumas falhas no protótipo da placa de circuito impresso, mas, ao montá-la, fizemos esse dispositivo funcionar no modo mínimo aceitável. Isso foi suficiente para remover as características do padrão de radiação.
Como um banco para medição de diretividade, não pensamos em nada melhor do que usar uma calha de plástico cheia de água, na qual nosso módulo rangefinder é instalado como um emissor e, a uma curta distância dele, um receptor é um elemento piezoelétrico conectado a um osciloscópio. O módulo telêmetro pode girar da esquerda para a direita de 0 a 180 °; neste momento, pegamos um oscilograma do receptor e determinamos a amplitude do sinal recebido, dependendo do ângulo de rotação do emissor.
Abaixo está um gráfico do padrão final de radiação.
Outras medições foram realizadas em uma piscina improvisada - um tubo de plástico cheio de água a uma altura de 1 metro. A propósito, foi possível detectar três reflexos do fundo e da superfície da água antes que o sinal desaparecesse completamente.
Como decidimos usar a interface UART com comandos de texto simples (no primeiro estágio), não foi difícil implementar um pacote do módulo telêmetro com a GUI em um computador executando o Processing.
Na foto - uma tentativa de escanear o fundo de um reservatório local usando um barco com um módulo rangefinder e um transmissor de rádio instalado para receber dados do módulo em um laptop. Infelizmente, durante momentos de testes emocionantes de um pedaço de ferro, você menos pensa na qualidade das fotos do processo.
E usando o aplicativo de smartphone Bluetooth Electronics e o conversor USB-> UART, você pode implementar uma versão mais móvel da configuração de teste.
Atualmente, estamos trabalhando no próximo protótipo do módulo telêmetro, pois há realmente algo a ser melhorado.
Por exemplo, realize uma amplificação gradual do sinal de entrada, para que a reflexão de objetos próximos não role e a amplificação dos objetos distantes seja máxima. Talvez aplique uma base elementar mais barata. Considere a opção de encher o interior com algum tipo de composto ou óleo de silicone para selar e suportar alta pressão.
Vejo você na próxima edição!