Регулярно посещая ближайшие водоемы с удочкой и приманкой, я задумался о том, как применить образование электронщика для автоматизации рыбной ловли. Удочки, эхолоты, лодки, наживки и много чего еще интересного можно улучшить и предложить сообществу рыбаков. Решено было начать с чего-то простого и, несомненно, полезного на каждом рабочем месте тихой охоты. Итак, в этой статье вы прочитаете о том, как разрабатывался сигнализатор поклевки.
Рыбалка на донку и сигнализаторы поклевки
Расскажу по порядку. Принцип рыбалки на донку заключается в том, что наживка в комплекте с приманкой помещается в специальную кормушку и удочкой забрасывается в воду, где она лежит на дне. Поплавки не используются, вместо них на леску одевается индикатор — щепка, колокольчик, лампочка и т.п. Когда рыба клюет, она дергает леску и индикатор перемещается. Рыбак поднимает удочку и сматывает леску, в лучшем случае — вместе с рыбой. Иногда индикатор одевается на удилище, которое колеблется при поклевке. Эволюция индикаторов началась с деревянных колышков, закрепляемых на леске, затем им на смену пришли колокольчики. Чуть позже появились светящиеся химическим или светодиодным светом приспособления. Теперь на рынке полно китайских устройств, которые при поклевке вырабатывают звуковые и световые сигналы одновременно. Одно из преимуществ электронных сигнализаторов заключается в том, что они продолжают пищать и мигать некоторое время после окончания поклевки, давая рыбаку больше шансов заметить ее, если он отвернулся или просто зазевался. Как правило, индикаторы размещаются на удилище или стационарно на специальных колышках. Принцип действия таких устройств основан на улавливании колебаний удочки или движений лески. Важный момент: практически не встречаются (я ни разу не видел) электронные устройства, которые непосредственно крепятся на леску так, как раньше крепились колышки или колокольчики.
Одновременно с эволюцией индикаторов происходила эволюция их креплений. Завершилась она появлением универсального подвеса, одеваемого на леску, в который можно вставлять китайские колокольчики или светодиоды. Собственный опыт и общение с коллегами-рыбаками подсказывали, что не все еще изобретено и улучшено.
Итак, обозначим жизненное пространство предлагаемой конструкции: будет разработан свето-звуковой индикатор, одеваемый непосредственно на леску или вставляемый в китайский подвес. Если такие штуки уже существуют, то я не расстроюсь, так как просто интересно поработать в этом направлении.
Принцип действия и выбор элементной базы
Мне на ум пришли несколько конструкций, которые можно положить в основу сигнализатора:
- пьезо сигнализатор. Пьезо элемент испытывает колебания, деформируется и вырабатывает напряжение. Этот принцип используется во многих сигнализациях, например, автомобильных;
- подвижный магнит, совмещенный с датчиком Холла. Элемент колеблется, датчик это улавливает, сигнализатор срабатывает;
- то же, только со светодиодом и фотодатчиком;
- датчик с герконом и подвижным магнитом.
Я решил остановиться на первом варианте. Пьезо элемент хорош тем, что вырабатывает напряжение при деформации, а если на него подать напряжение, то он, наоборот, деформируется и при этом издает звук.
То есть получается сенсор и пищалка в одном флаконе, очевидная экономия места и веса. Осталось выбрать конкретную модель пищалки. Для этого я пошел в ближайший радиомагазин и купил все имеющиеся в наличии модели.
Среди всего разнообразия необходимо было отыскать самую громкую и чувствительную пищалку, которая бы работала от батарейного питания. Важно отметить, что, для того чтобы пищалка издавала звуки, на нее нужно подать напряжение, колеблющееся с частотой порядка нескольких килогерц. Чтобы получить такое напряжение я планировал использовать специальный прибор «генератор сигналов специальной формы», но он как раз поломался, также была идея взять напряжение от звуковой карты, но в итоге решил спаять генератор на макетной плате, и сразу отлаживать и пищалку и схему в целом. После недолгого поиска в интернете были найдены несколько вариантов схем мультивибраторов и одновибраторов на логических интегральных схемах, они были немного доработаны и в итоге получилась схема, содержащая одновременно одновибратор и мультивибратор. Одновибратор запускается на несколько секунд после получения сигнала от пьезо сенсора (пищалки). Пока включен, он подает напряжение на мультивибратор, который генерирует колебания с частотой 1-5 кГц и тем самым заставляет пищалку издавать звуки. Через некоторое время одновибратор выключается, схема успокаивается и переходит в режим ожидания. Такую схему сигнализатора поклевки можно собрать из довольно простых и дешевых комплектующих. Но, будучи воплощенной в реальном устройстве, она с трудом поддается изменению и это ее основной недостаток. Тем не менее, была спаяна монтажная плата, она изображена на следующем рисунке. Кроме элементов логики, на ней еще присутствуют батарейный отсек и операционный усилитель (AD822), который нужен для увеличения сигнала от пьезо датчика, если тот окажется слишком мал.
После испытаний различных пьезо сенсоров, был выбран элемент MFT-31T-2.8. Он оказался наиболее чувствительным — при колебаниях с периодом 1-2 Герца и амплитудой 5-15см вырабатывается напряжение около одного вольта. Издаваемый им звук также порадовал. Во всяком случае, в помещении звук казался довольно громким. Другие элементы вырабатывали меньшее напряжение, порядка нескольких сот милливольт. А по уровню звука немного превосходили или незначительно уступали.
Определившись с пьезо элементом, я приступил к выбору других узлов устройства. Решение использовать логические элементы ИЛИ-НЕ/И-НЕ в качестве управляющей части подкупало своей простотой и дешевизной. Честно говоря, я не знал как еще можно собрать копеечную схему и уже даже начал готовить эту к производству. Но тут на глаза попался микроконтроллер PIC10F220T. Обладателям смартфонов, компьютеров и планшетов будет интересно узнать, что существуют устройства с такими характеристиками:
Эта микросхема идеально подходит для сигнализатора поклевки: небольшие размеры, маленькое энергопотребление, необходимая периферия на борту, включающая АЦП и таймер. Все это при цене 0.5$. Изменяя программное обеспечение, можно экспериментировать и доводить до ума функциональную часть, а значит, прибор получает гибкость конструкции, которая так необходима для новых разработок. Долго не раздумывая, я заменил микросхемы логики на этот микроконтроллер. Осталось дело за малым — определиться с источником питания. Аккумулятор со схемой заряда и разъем на плате слишком усложнили бы конструкцию. На всякий случай я пролистал несколько каталогов радиодеталей. Приятно радовали распространенные батареи 2032 — напряжение 3В при емкости 210 мАч. Нетрудно посчитать, что микроконтроллер, потребляющий 100 нА в режиме сна, от такой батареи может проспать осень, зиму и весну, в общем, весь перерыв между рыбацкими сезонами. В рабочем режиме она также обещала прослужить не одну рыбалку. Уровень напряжения позволял работать микроконтроллеру и другим элементам конструкции. Учитывая копеечную стоимость указанных батареек, решено было использовать именно их. В дополнение были выбраны подходящие крепления KLS5-CR2032-03, из которых батарейка после полного разряда легко вынимается и заменяется новой. В общем, себестоимость комлектующих составляет 5-7$. Взяв на вооружение указанную элементную базу, я разработал принципиальную схему и обратился к знакомому конструктору печатных плат. После недолгих обсуждений и устной постановки ТЗ была спроектирована и затем изготовлена печатная плата, которая в итоге используется в первых опытных образцах.
Разработка и изготовление корпуса
Что за электронное устройство без корпуса и что за опытный образец без корпуса, распечатанного на 3d принтере? За несколько дней тот же знакомый конструктор разработал необходимые чертежи. Корпус состоит из основания и крышки. Основание содержит штырек для вставки в китайский подвес (мое ноу-хау) и ухо для крепления на леску.
На тот момент я еще не знал, что на принтере нельзя распечатать прозрачный корпус. Столкнувшись с суровыми реалиями 3d-первопечатников, пришлось делать стенки корпуса более тонкими, чтобы свет от светодиода мог пробиваться через пластик цвета слоновой кости (единственный, который был в наличии в печатном салоне). Получив опыт в области 3d печати, для будущих образцов этого и других приборов был приобретен китайский reprap prusa i3 принтер с килограммом полупрозрачного пластика. Надеюсь, это повысит свободу выбора в части корпусов, но в тот момент пришлось пользоваться услугами стороннего производителя.
Размещение светодиода внутри корпуса продиктовано требованиями водонепроницаемости прибора. Пропускание света обеспечивается полупрозрачностью, но вот как быть с элементами управления — кнопкой включения и выбора режимов чувствительности? Ответ нашелся в гугле. Оказывается, в компьютерной клавиатуре под клавишами есть специальная силиконовая прокладка. Первая попавшаяся клавиатура была разобрана, прокладка извлечена, из этой прокладки были вырезаны и приклеены к корпусу кругляши для герметизации кнопки. Плата крепится с помощью шурупов, так же, только с добавлением резиновых прокладок, соединяются крышка и корпус сигнализатора.
Программное обеспечение
После отправки печатной платы в производство наступил этап разработки программного обеспечения. Алгоритм работы довольно простой: нажали кнопку — и сигнализатор просыпается, последующие нажатия изменяют режим чувствительности, всего их четыре. В случае, если сигнал с АЦП превышает некоторое пороговое значение, что означает поклевку, микроконтроллер генерирует звуковой сигнал с помощью пьезо излучателя. Если кнопку держать нажатой дольше 5 секунд, устройство переходит в спящий режим. Программа вышла небольшая и простая, единственной сложностью было уместить весь код в имеющиеся 256 байт flash памяти.
Характеристики сигнализатора
В конце концов плата была спаяна, программа написана, а все устройство упаковано в корпус. Самое время привести характеристики сигнализатора:
- размеры 43 х 35 х 18 мм;
- вес 15г;
- крепление на леску или в подвес;
- 4 режима чувствительности;
- батарея CR2032;
- время до разряда батареи в рабочем режиме примерно 400 часов;
- время до разряда батареи в спящем режиме > 1 года;
- влагозащита от дождя или брызг.
Испытания
И вот настал долгожданный момент полевых испытаний. Конец сентября, небольшой пруд, нелетная погода. Были заброшены три донки и приведены в боевую готовность три индикатора. К сожалению, за несколько часов не случилось ни одной поклевки, поэтому пришлось имитировать их подергиванием за леску. При этом удалось оценить реакцию сигнализатора на поклевку и боковую качку в условиях сильного ветра, слышимость звукового и видимость светового сигналов. Датчик показал хорошую чувствительность при небольших поклевках, при этом срабатывание происходило одинаково хорошо при различных направлениях движения лески. Однако сильный боковой ветер раскачивал устройство и также приводил к его срабатыванию. Для устранения влияния боковой качки пришлось снизить чувствительность, понизив её до четвертого уровня. Разумеется, при этом ухудшилась реакция на легкие поклевки, однако при сильном ветре они в принципе не заметны. Слышимость сигнала оказалась хуже ожидаемой. Так, во время сильных порывов ветра звук практически не слышен уже с расстояния двух метров, хотя дома или в погожий день на улице он воспринимался громким и резким. Нужно отметить, что мы были в капюшонах.
Видимость светодиода значительно ухудшалась непрозрачным корпусом. В начале рыбалки, еще в сумерках, индикация была заметна, затем с восходом солнца пришлось приглядываться, чтобы её различить. В приборе заложены два светодиода — спереди и сзади, это было сделано, чтобы сигнализация была видна под любым углом. После испытаний я задумываюсь оба светодиода расположить со стороны рыбака.
Также оказалось, что необходимо менять алгоритм работы кнопки. В реальных условиях — при сильном ветре и замерзших руках, переключение происходит с некоторыми эмоциональными усилиями. Возможно, следует увеличить постоянную времени фильтра дребезга контактов или добавить отдельную кнопку включения — выключения.
Итоги
Испытания показали, что сигнализатор поклевки в принципе выполняет свои функции, при этом некоторые узлы требуют изменения. В первую очередь я планирую изготовить прозрачные или полупрозрачные корпуса, изменить их форму и тщательнее продумать место соединения основания и крышки для лучшей влагозащиты. Более затратной операцией является увеличение громкости, так как для этого требуется изменить схему и печатную плату устройства. И, наконец, наиболее трудным представляется устранение чувствительности к боковой качке.
В целом, работа над индикатором заняла два месяца эпизодической работы или суммарно полторы недели, не считая предметного общения с рыбаками, которое приносит только удовольствие и в общий счет времени, разумеется, не идет.
P.S.
Вы можете скачать чертежи и исходные коды программы сигнализатора.