О лазерной указке и ее применении в различных конструкциях уже рассказывалось на страницах журнала "Радио". Продолжая эту тему, предлагаю описание фототира с использованием все той же лазерной указки. Этот электронный тир состоит из двух узлов - пистолета и мишени с фотодатчиком. Мишень устроена так, что при попадании в нее луча указки раздается звуковой сигнал. Мишень (рис. 1) содержит фотодатчик на фототранзисторе VT1, ждущий одновибратор на логических элементах DD1.1, DD1.2 и генератор ЗЧ на элементах DD1.3, DD1.4. В исходном состоянии фототранзистор освещен слабо, поэтому на его коллекторе высокий логический уровень. На выходе ждущего одновибратора (вывод 3 DD1.1) низкий логический уровень, генератор ЗЧ не работает.
Если кратковременно осветить фототранзистор лазерным лучом указки, на его коллекторе появится низкий логический уровень, ждущий одновибратор сработает - в течение примерно 2 с на его выходе (вывод 3 DD1.1) будет присутствовать высокий логический уровень. Включится генератор ЗЧ, и пьезоизлучатель BQ1 начнет издавать звуковой сигнал, свидетельствующий о попадании в цель. Затем устройство вернется в исходное состояние.
Схема пистолета приведена на рис. 2. В его состав входит лазерная указка А1, интегральный стабилизатор напряжения DA1, накопительный конденсатор С1, кнопка-курок SB1 и батарея питания GB1. В исходном состоянии конденсатор С1 заряжен от батареи питания. При нажатии на кнопку SB1 он подключится ко входу стабилизатора напряжения, в результате чего на лазерную указку поступит питающее напряжение 5 В. Она будет излучать свет в течение короткого отрезка времени (доли секунды), пока конденсатор не разрядится. Если свет попадет в мишень, прозвучит сигнал. После отпускания кнопки-курка конденсатор снова зарядится - пистолет готов к "выстрелу". Резистор R1 ограничивает зарядный ток конденсатора. Специального выключателя питания в пистолете нет, поскольку в режиме готовности ток от батареи практически не потребляется. Большинство деталей мишени размещают на печатной плате (рис. 3) из односторонне фольгированного стеклотекстолита.
Вариант конструкции мишени, которую использовал автор, показан на рис. 4. Для защиты от внешней засветки фототранзистор 4 размещают в пластмассовом светонепроницаемом корпусе 1, в качестве которого применена баночка из-под фотопленки. Примерно посередине размещена перегородка 2 из матового органического стекла. Для повышения чувствительности можно установить светоотражающий конус 3 из ватмана. Корпус крепят к плате 5, на которой располагают и пьезоизлучатель 6.
Конструкция пистолета показана на рис. 5. Для него понадобится корпус-"пустышка" подходящих размеров. Внутри него устанавливают лазерную указку 1 таким образом, чтобы она "стреляла" в полном соответствии с прицелом пистолета. Указку предварительно плотно обматывают изолентой, чтобы кнопка включения была нажата. В корпусе устанавливают также кнопку 2 и батарею питания 3. Монтаж ведут навесным методом.
В устройстве можно применить, кроме указанных на схеме, микросхему К176ЛА7, К564ЛА7, пьезоизлучатель ЗП-1; оксидные конденсаторы - К50, К52, К53, остальные - КМ-6, К10-17, любой подстроечный резистор, постоянные - МЛТ, С2-33, выключатель - любого типа, кнопка в пистолете - с самовозвратом. Налаживание пистолета сводится к подбору конденсатора С1 такой емкости, чтобы получить оптимальную длительность выстрела. В мишени резистором R1 устанавливают чувствительность, при которой она не реагирует на внешнее освещение. Саму мишень следует укрыть от прямых солнечных лучей и других источников света. Тональность и громкость звукового сигнала можно установить подбором конденсатора С3 (грубо) и резистора R3 (плавно). Продолжительность звукового сигнала устанавливают подбором конденсатора С2 и резистора R2.
Лазерный фототир
Как и любой тир
это устройство состоит из двух частей: оружие (можно использовать любой игрушечный пистолет) и мишень. А приставку ФОТО
он получил потому что в качестве "пули" у нас будет использоваться лазерный луч
.
Итак, поехали....
Схема лазерного пистолета для фототира
Источником лазерного излучения здесь служит обыкновенная лазерная указка .
Но вот только схема включения у нее довольно хитрая: луч будет включаться лишь на короткое время. Это сделано для того чтобы исключить возможность просто "нащупать" мишень лучем.
Как видно по схеме- когда курок (кнопка пуск) отпущен, то лазер не светит, но происходит заряд конденсатора C1. При нажатии на кнопку "огонь" заряженный конденсатор подключится к лазеру. Но так как связь с источником тока прервется, то луч будет светить лишь пока конденсатор не разрядится.
Схема мишени для фототира
Фотомишень
состоит из трех частей:
Фотоэлемент
, который и будет принимать сигнал (он, естественно, должен размещаться в центре мишени),
Ждущий мультивибратор
на элементах DD1.1 и DD1.2,
и Генератор
на элементах DD1.3 и DD1.4.
При попадании лазера на фотоприемник он откроется и запустится ждущий мультивибратор (примерно на 2 секунды).
Пока ждущий мультивибратор работает, на его выходе (вывод 3), будет присутствовать логическая единица и включится звуковой генератор- пьезоизлучатель издаст звук.
Настройка устройства сводится лишь к двум моментам:
Можно будет подобрать емкость конденсатора в пистолете чтобы обеспечить нужное время срабатывания а в мишени пр помощи резистора R1 установить чувствительность.
Полезно будет заглянуть
Когда патроны практически не кончаются...
С появлением лазерных указок сделать фототир оказалось довольно просто, при этом особых проблем с дальностью несколько десятков метров не существует. Применение подобных игрушек может быть самое разнообразное, как в составе комплекса, так и по отдельности. Сначала думал установить подобную систему на радиоуправляемых моделях танков. В стволе танка можно установить лазер, а по периметру танка несколько датчиков. Если использовать две радиоуправляемые модели, то можно устроить настоящий танковый бой на поражение в уязвимые места. Но до такого изврата пока не дошел, а вот мишень с пистолетом реализовать удалось.
Идея
Широко распространенные фотодиоды хорошо реагирует на световой сигнал от лазерной указки даже при сопутствующем внешнем освещении, что позволяет легко организовать фототир. При этом никаких особых и дорогих деталей для создания не нужно, достаточно лишь немного времени , умелые руки и элементарные знания электроники, а также умение работать с паяльником. В свое время у меня завалялось несколько сотен интегральных схем 1006ВИ1, применение которых оказалось настолько универсальным и распространенным, что казалось бы из него вся электроника и состоит. Я уже применял таймер 1006 ВИ1 (555) для елочных поделок (), и буду продолжать применять, пока не закончится запас микросхем.
Состав
Вся схема состоит из четырех автономных блоков: А1 – источник импульсов лазера (пистолет ); А2 – фотодатчик со световой и звуковой индикацией (мишень – ); А3 – зарядное устройство для аккумуляторов и пистолета, и мишени ();, А4 – звуковой индикатор, дополнительный блок для удобства и эффектности ().
Схема пистолета (А1)
Основные функции пистолета – обеспечение формирование лазерного импульса короткой продолжительность с минимальным интервалом следования около 0,5 сек, а также формирование звукового сигнала в момент генерации импульса. Спусковым крючком для «выстрела» есть изменение положение переключателя SB1 из правого положения по схеме в левое (). В этот момент заряженный до напряжения около 3,75 В конденсатор С1 подключается к лазерной указке. Через лазерный светодиод проходит короткий импульс тока, в результате которого формируется короткий световой лазерный импульс, длительность импульса можно уменьшать, увеличивая сопротивление встроенного в лазерную указку токоограничительного резистора R1.
Одновременно с лазерной указкой к накопительному конденсатору С1 подключается мультивибратор, собранный на транзисторах VT1,VT2. Мультивибратор работает на частоте около 3 кГц и нагружен на динамическую головку ВА1 сопротивлением несколько десятков Ом через эммитерный повторитель на VT 3. В результате падения напряжения в процессе разряда С1 в динамике слышен звуковой импульс с изменяющейся частотой (что то вроде «Ф-и-и-ть»).
После отпускания спускового крючка пистолета SB1 переключается в правое по схеме положение и начинается процесс заряда конденсатора С1 через резистор R2, последний и определяет минимальный период перезаряда С1, а значит и минимальное время между «выстрелами». Так как при отпущенном спусковом крючке вся схема отключена от источника питания, то в ждущем режиме пистолет практически ничего не потребляет.
Конструкция пистолета (А1)
В качестве корпуса для размещения всех элементов схемы служит корпус пистолета 8-битной приставки типа «Денди» и т.п. От исходного пистолета остается только оболочка и контактная группа со спусковым крючком, а также фотодиод, который используется в мишени, как датчик попадания.
Схема мишени (А2)
7. Зарядное устройство можно применять для заряда аккумулятора как пистолета, так и мишени. Одного заряда хватает на несколько десятков часов непрерывной работы.
Приведена принципиальная схема самодельного электронного тира, в нем тире стреляют импульсами инфракрасного излучения.
Схема электронного пистолета
В пистолете находится источник питания и преобразователь постоянного напряжения в прямоугольные импульсы, длительность и амплитуда которых определяется емкостью конденсаторов С2—С5. Пакет импульсов поступает на излучатель инфракрасного излучения.
Электронная система рассчитана так, что при точном прицеливании на счетчик пройдет максимальное число импульсов — десять, и табло зарегистрирует попадание в центр мишени.
Если же оптические оси излучателя и приемника не совпадают, число импульсов, прошедших на счетчик, будет тем меньше, чем больше это. несовпадение. Как показали испытания, зависимость между отклонением оптической оси «оружия» и соответствующим отклонением «точки попадания» от центра мишени почти линейна.
Рис. 1. Схема электронного пистолета на инфракрасных лучах.
Генератор прямоугольных импульсов собран на микросхеме А1. Конденсатор С1 определяет частоту повторения импульсов. На транзисторах V1 и V2 выполнен усилитель импульсов, поступающих от генератора.
При отсутствии генерации оба транзистора закрыты, поэтому усилитель постоянно подключен к батарее аккумуляторов GB1, а переключатель S1, связанный со спусковым крючком, подключает батарею конденсаторов С2—С5 только к генератору.
Резистор R4 ограничивает ток эмиттера транзистора V2 и соответственно светодиода V3 до уровня примерно 80мА. Усилитель работает в ключевом режиме, что обеспечивает постоянство амплитуды ИК-импульсов в течение всего времени генерации, несмотря на уменьшение напряжения на выходе генератора по мере разрядки батареи конденсаторов С2—С5.
Таким образом, при нажатии на спусковой крючок светодиод V3 излучает пачку ИК-импульсов длительностью примерно 200 мс с частотой заполнения около 10 кГц при выходной мощности более 5 мВт.
Блок индикации
В блоке индикации (рис. 2) приемником ИК-излучения служит фотодиод V1. Напряжение сигнала выделяется на резисторе R1 и через двузвенный фильтр верхних частот C1R2C2R3 поступает на вход малошумящего усилителя (полевой транзистор V2). Фильтр пропускает сигналы с частотами выше 8 кГц, что значительно повышает помехоустойчивость приемной части блока индикации.
Сигнал, усиленный первым каскадом примерно в 10 раз, поступает к основному усилителю (транзисторы V3, V4), собранному по схеме с непосредственной связью. Общее усиление всех трех каскадов достигает 4000. Далее напряжение выпрямляется диодом V5 и подается на конденсатор С8.
Рис. 2. Электронный тир на инфракрасных лучах - схема табло.
Так как постоянная времени цепи заряда этого конденсатора почти в 20 раз меньше постоянной времени цепи разряда, а длительность пачки импульсов больше постоянной времени цепи заряда, напряжение на нем успевает достигнуть амплитудного значения выходного напряжения усилителя. Таким образом, установившееся напряжение на конденсаторе С8 будет пропорционально входному сигналу, снимаемому с резистора R1.
Усилитель постоянного тока с высоким входным сопротивлением (транзисторы V6—V8) работает в режиме линейного усиления напряжения на конденсаторе С8. На выходе усилителя включена цепь V9, V10, R16, которая вместе с элементом D1.2 образует устройство, обладающее пороговыми свойствами по отношению к аналоговому сигналу.
От тактового генератора на второй вход элемента D1.2 поступают импульсы с частотой следования 40 Гц. При увеличении на выходе усилителя постоянного тока амплитуды сигнала до некоторого порогового значения элемент D1.2 открывается и пропускает тактовые импульсы на вход двоично-десятичного счетчика D2.
Генератор представляет собой несимметричный мультивибратор (транзисторы V12, V13). В цепь эмиттера транзистора V13 включен светодиод V14, по которому можно контролировать работу генератора.
С выходов счетчика D2 сигнал поступает на дешифратор D3. Сигнал на выходе дешифратора может быть использован, например, для управления цифровым индикатором, однако нагляднее мишень, у которой высвечиваются кольцевые зоны попадания. Лампы Н1—Н10 подключены к дешифратору через электронные ключи (транзисторы V17—V26).
На схеме для простоты показаны одиночные лампы, на самом же деле на каждом кольце мишени установлено по две лампы, включенные параллельно. Лампа H1, индицирующая исходное состояние пересчетного устройства, установлена в верхней части футляра рядом с транспарантом Готовность, а Н2—Н10 — на кольцах мишени со 2-го по 10-е (1-е кольцо не светится).
При прохождении тактовых импульсов на вход счетчика D2 начинается последовательное переключение ламп Н1—Н10. Оно продолжается до тех пор, пока открыт элемент D1.2, что, в свою очередь, зависит от амплитуды сигнала на выходе усилителя постоянного тока. Таким образом, порядковый номер последней зажженной лампы может характеризовать интенсивность падающего на фотодиод V1 ИК-луча, т. е. точность прицеливания.
Входы R0 (выводы 1 и 2) счетчика D2 предназначены для его переключения в исходное состояние. Одновременно с открыванием элемента D1.2 на выходе элемента D1.1 появляется уровень логического «0». На выходе инвертора D1.3 появляется уровень логической «1», конденсатор С11 быстро заряжается, и на выходе инвертора D1.4 появляется уровень логического «0».
Таким образом, на обоих входах R0 счетчика D2 присутствует низкий уровень, не препятствующий работе счетчика.
Как только напряжение на выходе усилителя постоянного тока (V7, V8), уменьшаясь, достигает уровня, при котором закроется элемент D1.2, счетчик останавливается.
При этом на выходе инвертора D1.1 появляется уровень логической «1», необходимый для сброса счетчика D2 в исходное положение. Примерно через 3 с конденсатор С11 разрядится настолько, что на выходе элемента D1.4 появится уровень логической «1», пересчетное устройство возвратится в исходное состояние и включится транспарант Готовность.
С выхода элемента D1.4 сигнал через диод V27 поступает на усилитель тока (транзистор V28), нагрузкой которого служит лампа Н1 транспаранта Попадание, и на электронный ключ (транзистор V29). Ключ, открываясь, запускает симметричный мультивибратор (транзисторы V30, V31). Частота генерации — около 100 Гц.
Импульсы с генератора усиливаются по току составным транзистором V32, V33 и звук воспроизводится динамической головкой В1. Лампа НИ и головка В1 являются средствами дополнительной сигнализации попадания и поэтому могут быть изъяты из устройства. Блок питается от двух батарей 3336Л (GB1). На микросхемы подается напряжение около 5 В от стабилизатора R20V16C10.
Общее потребление тока блоком индикации в исходном состоянии не превышает 36 мА. Для повышения надежности работы дешифратора D3 в цепь базы ключевых транзисторов необходимо включить токоограничительные резисторы сопротивлением 1 кОм и мощностью рассеяния 0,125 Вт.
Популярным ребячьим развлечением стала нынче так называемая лазерная (световая) указка. Выпускаемая в качестве миниатюрного рабочего инструмента для преподавателей, лекторов и экскурсоводов, она привлекает дерзновенных почитателей научной фантастики возможностью поиграть в "гиперболоид инженера Гарина", выделяя остронаправленным световым лучом ту или иную деталь интересующего объекта на значительном расстоянии. К счастью, обходятся такие игры без негативных последствий, ведь в данных указках разрешается использовать лишь полупроводниковые лазеры или светодиоды (вариант, на который чаще всего и идут фирмы-изготовители) со встроенной оптикой, мощность излучения у которых не должна превышать 1 мВт. Увеличение концентрации световой энергии в чрезвычайно малом телесном угле может создавать, по мнению специалистов, определенную опасность для зрения - при попадании луча в глаз напрямую или после отражения от зеркальной поверхности.
Обладателям лазерных указок можно приспособить их для интересной и вполне безопасной забавы - домашнего фототира. Световой импульс послужит аналогом пули, а приемником станет фотодатчик мишени. В случае попадания в цель появится электрический сигнал, который вызовет световой (совершенно безвредный) ответ - подтверждение меткого "выстрела".
Минимальиая доработка, при которой лазерная указка превращается в "световое
оружие" для фототира
Принципиальная электрическая схема фотомишени
Оружие фототира - лазерная (световая) указка, дополненная простейшим электрическим устройством включения и вмонтированная в готовый или самодельный макет пистолета, карабина и т.п. Когда такое оружие снято с предохранителя (замкнуты контакты SA1) и спусковая скоба не нажата (кнопка SB1 в разомкнутом состоянии), то электроэнергия, поступив от батареи питания GB1 через токоограничивающий резистор R1, максимально зарядит большеемкостный конденсатор С1. При фотовыстреле (нажатии на SB1) произойдет переключение и быстрый разряд С1 на лазерную указку А1. Последняя выдаст короткий импульс направленного света, который при попадании на фотодатчик вызовет ответную реакцию мишени (вспышку светодиода - индикатора поражения цели).
Свечение лазерной указки в самодельном фототире - по убывающей интенсивности, в интервале разрядных напряжений на С1 от 4,5 до 3 В. После отпускания кнопки SB1 начнется "самозаряд" большеемкостного конденсатора, и примерно через три секунды световое оружие вновь готово к поражению мишени, где в качестве воспринимающего свет элемента применен фототранзистор VT1. От привычного биполярного полупроводникового триода последний отличает принципиально иное управление коллекторным током, когда результат достигается не изменением электрического смещения на базу, а ее освещением от внешнего источника, для чего в корпусе, защищающем кристалл, предусмотрено светопрозрачное окно.
В исходном состоянии, когда тумблером БА1 на фотомишень уже подано питающее напряжение, а фототранзистор еще не освещен и заперт, с коллектора VT1 поступает так называемый высокий логический уровень (лог. 1) на вход 1 микросхемной ячейки 001.1 типа 2И-НЄ, образующей совместно с 001.2, конденсатором С1 и резистором Р!3 преобразователь сигнала. Входы 5 и 6 001.2 "заземлены" через ЯЗ, и лог.1 передается с выхода 4 этой ячейки ко входу 2 001.1, отчего на выходе 3 001.1 "дежурит" сигнал низкого уровня (лог.0), как и на входах 8, 9 и 12, 13 порогового звена 001.3, 001.4. Повинуясь логике работы данного устройства, на спаренных выходах 10, 11 микросхемы 001 будет сигнал высокого уровня, который подводится к базе транзистора VT2 (усилитель мощности, работающий в ключевом режиме) и запирает его.
При метком "выстреле" световой импульс попадает в окно чувствительного VT1. Происходит отпирание фототранзистора. В результате - напряжение на его коллекторе (значит, и на входе 1 микросхемы 001) упадет до лог.0. Ячейка 001.1 переключится в другое устойчивое состояние, и на ее выходе появится высокий уровень. Этот сигнал моментально будет передан через незаряженный конденсатор С1 на входы 5, 6 ячейки 001.2, которая тут же переключится и с выхода 4 подаст лог.0 ко входу 2 D01.1. На выходе 3 останется лог.1, несмотря на прекращение воздействия светового импульса и восстановление низкого уровня на входе 1. Состояние ячеек DD1.1 и DD1.2 будет поддерживаться, пока не закончится заряд конденсатора. Все это время ячейки DD1.3, DD1.4 также остаются в переключенном состоянии, и лог.0 на их выходах позволяет удерживать транзистор VT2 открытым, создавая условия для ответного сигнала о попадании в цель - свечения полупроводникового индикатора HL1.
Когда конденсатор С1 зарядится, то ток, проходящий через него и резистор R3, прекратится. Напряжение на входах 5, 6 DD1.2 упадет, и все устройство возвратится в исходное состояние. То есть длительность ответного сигнала о попадании в цель (свечения полупроводникового индикатора HL1) определяется номиналами С1, R3 и при соблюдении значений, указанных на принципиальной электрической схеме фотомишени, составляет примерно 2 с.
Основное предназначение светодиода HL2 - сигнализировать о подключении мишени к источнику электропитания. С размещением этого индикатора (и, разумеется, самого фототранзистора) в центре "яблочка" появится возможность тренироваться и проводить соревнования на -меткость стрельбы в фототире, но уже по более строгим и сложным правилам. Например, в слабо освещенном помещении или даже в полной темноте, используя в качестве целеуказания зеленую "искорку" светодиода HL1. Красный "огонек" более мощного HL1 (индикатора попадания) можно расположить у края мишени.
"Электроника" мишени, за исключением фототранзистора, светодиодов и выключателя питания, монтируется на псев-допечатной разрезной плате из односторонне фольгированного пластика.
Псевдопечатная прорезная монтажная плат а фотомишени из фольгированного пластика
В конструкции самодельного фототира с использованием лазерной указки в качестве основы "оружия" вполне приемлемы привычные и хорошо зарекомендовавшие себя постоянные резисторы МЛТ-0,25 и "переменник" СП-0,4 или их аналоги, микрокнопка КМ 1-1, конденсаторы К50-6 и К50-38, микротумблеры MT1-1. Питание фотомишени - от компактной 9-вольтной "Кроны" (если интенсивность тренировок сравнительно невелика; в противном случае не обойтись без более мощного источника, который можно, например, составить из двух последовательно соединенных батарей типа 3R12). Должную энергообеспеченность "лазерному оружию" способны гарантировать три гальванических элемента ААА (LR03), соединенные последовательно.
Процесс отладки самодельного фототира занимает минимум времени и сводится лишь к установке требуемого уровня чувствительности световоспринимающего каскада переменным резистором R1 да к согласованию прицельного устройства с лучом применительно к удаленности фотомишени. Питание на указку во время такого согласования подается непосредственно от батареи GB1 с выключателем SA1.