La detección de distancia por ultrasonidos se puede lograr con un dispositivo de ultrasonidos añadido solamente a un amplificador operacional y un microcontrolador que disponga de cuatro patillas de E/S, incluyendo un comparador interno integrado.
Para ver cómo funciona, tomemos un transmisor de ultrasonidos que emita un pulso de 40kHz o varias oscilaciones a esa frecuencia. El microcontrolador puede enviar una onda cuadrada de una o varias longitudes de onda al dispositivo de ultrasonidos para generar el pulso. Este pulso es reflejado por cualquier objeto de mayor densidad que el aire, y parte del pulso emitido vuelve al receptor. El tiempo total de ida y retorno se mide y se convierte en distancia al conocer la velocidad del sonido.
El sonido necesita un medio a través del cual desplazarse, como aire, agua o acero. En general, cuanto más denso es el medio, más rápido se propaga el sonido. La velocidad del sonido en el aire varía en función de la temperatura, la humedad y la altitud. A temperatura ambiente se puede suponer que es constante y de aproximadamente 343 m/s. Es una velocidad ideal para utilizar los microcontroladores en la medida de la duración de ida y retorno de un pulso emitido a pocos metros.
El tipo de superficie reflectora no es un aspecto crítico; a 40 kHz casi todas las superficies reflejan la onda sónica entrante. El contacto perpendicular con la superficie es preferible ya que los pulsos reflejados vuelven de nuevo al receptor. A medida que aumenta el ángulo de incidencia con la superficie disminuye la proporción del pulso reflejado en el receptor.
Un transductor de ultrasonidos funciona de manera parecida a un zumbador piezoeléctrico, pero a una mayor frecuencia inaudible. Cuando circula una corriente eléctrica a través del dispositivo piezoeléctrico, se deforma o se curva y recupera su forma original cuando se suprime la corriente. Cuando se aplica una onda cuadrada de 40 kHz a las patillas del dispositivo se radia un pulso de sonido a 40 kHz. Un receptor de ultrasonidos funciona de manera opuesta y genera una tensión con una amplitud mucho más baja del ultrasonido entrante.
Un dispositivo de ultrasonidos puede ser un transmisor, un receptor o ambos, y se suministran en un formato abierto o cerrado de tipo hermético. Esta aplicación emplea dispositivos de tipo abierto de recepción y transmisión por separado. Este tipo es el de manejo más sencillo ya que los transmisores herméticos necesitan una tensión de control más alta.
La Fig. 1 muestra el circuito equivalente de un dispositivo de ultrasonidos. Actúa como una carga capacitiva, pero debido a factores inductivos y capacitivos se ajusta a una frecuencia resonante de 40 kHz. El transmisor se ajusta para que el valor de salida sea máximo mientras el receptor está ajustado para una tensión de salida máxima de una señal entrante de 40 kHz. Se trata de un efecto de filtrado atenuante en todas las frecuencias restantes y resulta útil para eliminar ruido cuando se amplifica la señal recibida. Los valores típicos de los dispositivos utilizados en la demostración aparecen relacionados en la parte inferior de la Fig. 1.
Control de un dispositivo de ultrasonidos
El control de un transmisor capacitivo de ultrasonidos con una señal diferencial proporciona la mayor intensidad de transmisión y mantiene un offset de 0,0V en el dispositivo. El control diferencial de las patillas también suprime la necesidad de una fuente de alimentación negativa para controlar el dispositivo.
Un problema que surge con los transductores de ultrasonidos es que seguirán oscilando o transmitiendo tras retirar la señal de control. Esto se debe al comportamiento mecánico resonante del transductor. El transductor se ajusta de manera que oscile como una campana a la frecuencia de ultrasonidos especificada cuando así se accione, y necesita un cierto período de tiempo para dejar de oscilar cuando se elimina el accionamiento. Cuando el transmisor está oscilando, la señal se acoplará a través de la placa o se desplazará a través del aire entre transmisor y receptor, y parece una señal recibida. Por tanto, se necesita un retardo antes de conectar el receptor para asegurar que haya dejado de oscilar, y que toda señal recibida sea la de un pulso reflejado. El tiempo necesario para que deje de oscilar determina la distancia mínima detectable del receptor (ver Fig. 2).
Los dispositivos de ultrasonidos se deben controlar con una frecuencia lo más cercana posible a la frecuencia especificada para maximizar la potencia de salida. El oscilador interno de 8 MHz del PIC16F690 de Microchip, por ejemplo, se puede dividir fácilmente para generar una señal de control de 40 kHz. Se pueden utilizar dos patillas de E/S de un microcontrolador PIC para generar la señal diferencial de 40 kHz que controla el transmisor de ultrasonidos. Esta aplicación utiliza la interrupción por desbordamiento de Timer0 para crear la base de tiempos para la salida.
Como alternativa, un método más automático para el control de un dispositivo de ultrasonidos consistiría en el uso del módulo ECCP que incorporan muchos microcontroladores PIC. El módulo se puede configurar de manera que genere un PWM de la frecuencia seleccionada en las dos patillas, P1A y P1B, en modo de medio puente y con una salida invertida. El módulo ECCP emplea el Timer2 con el fin de establecer una base de tiempos para PWM. Al habilitar el generador de escalas de Timer2 se permite que el usuario establezca el número de pulsos generados antes de activar el aviso de interrupción. Este método permite enviar un pulso de ultrasonidos con una sola interrupción.
Una vez generada la señal de ultrasonidos y enviada desde el transmisor de ultrasonidos, la siguiente tarea consiste en detectar y medir el tiempo de un pulso reflejado de retorno. La forma de onda del sonido de retorno se ve atenuada significativamente y es necesario amplificarla antes de que se la señal sea detectada por un comparador. Esta amplificación se puede realizar con un solo amplificador operacional en una configuración de amplificador diferencial.
Amplificador diferencial
La Fig.3 muestra un ejemplo de circuito para amplificador diferencial. Este circuito basado en un amplificador operacional amplifica la tensión que llega al receptor de ultrasonidos conectado entre las dos patillas de entrada. El ruido en modo común a la salida se minimiza mediante el ajuste de la polarización de entrada entre las resistencias R2 y R4 y las resistencias R1 y R3.
El receptor de ultrasonidos actúa como un filtro sintonizado de alta calidad. El amplificador operacional diferencial amplifica el efecto de filtrado de este receptor. El primer amplificador operacional amplifica y filtra la señal entrante frente al ruido en modo común. Las posteriores etapas del amplificador operacional amplificarán cualquier ruido y necesitan añadir otros filtros. La selección del amplificador operacional adecuado para la primera etapa de ganancia del receptor de ultrasonidos puede suprimir la necesidad de más de un amplificador operacional y de filtros.
Esta demostración emplea el amplificador operacional MCP6022 de Microchip ya que tiene un ancho de banda de ganancia unidad (unity gain bandwidth, UGBW) de 10 MHz. Un UGBW más alto significa que la ganancia del amplificador operacional es mayor a una frecuencia determinada, como por ejemplo 40 kHz.
El circuito de demostración utilizado tiene una ganancia entre 250 y 300 a 40 kHz porque la ganancia se ve limitada por el UGBW y no viene determinada por R1/R2.
Un seccionador de datos es un circuito habitual en numerosas aplicaciones de comunicación. Compara una tensión de umbral (V_th) con la entrada amplificada para detector la señal. V_th en la Fig. 4 se establece ligeramente por debajo del valor medio de la señal de ultrasonidos amplificada (V_US).
Cada vez que se amplifica un pulso de ultrasonidos, el valor en la patilla C2IN- será inferior al valor de C2IN+, provocando así la conmutación del comparador. El valor de R2 debería ser mucho mayor que el de R1, pero no tan grande como para provocar que el comparador conmute debido al ruido en la señal amplificada. De forma ideal, el valor de R1 se establece de forma que el valor de la tensión de umbral esté junto por encima del ruido de la señal de ultrasonidos recibida. Cuando más cerca esté la tensión de umbral de la señal recibida, mayor será la distancia detectable por el receptor.
L a p a t i l l a C 2 O U T d e l microcontrolador PIC se puede utilizar para depurar esta etapa del receptor de ultrasonidos. Un problema habitual consiste en fijar incorrectamente la tensión de umbral. Si es demasiado baja se verá limitado el alcance de detección del receptor. Si es demasiado alta, el comparador conmutará los picos de ruido de la línea, con lo que será imposible saber cuándo hay una señal presente.
La función de puerta de Timer1 proporciona una señal de activación para la señal de reloj del contador de 16 bit de Timer1. La salida del comparador (C2OUT) se puede seleccionar como fuente interna de la puerta de Timer1. El conteo se activa mientras la señal C2OUT es baja. Una vez detectada una señal de ultrasonidos y el valor de C2OUT cambie, se deja de contar. El valor almacenado en los registros de Timer1 (TMR1H:TMR1L) es el tiempo de ida y retorno en forma de cuentas de la señal de ultrasonidos. Dependiendo de la velocidad del oscilador del dispositivo, el número de cuentas tendrá un determinado valor temporal.
Tras detectar el pulso de ultrasonidos de retorno, Timer1 almacena un valor de conteo correspondiente al tiempo del trayecto del pulso de ultrasonidos. Este número de cuentas se puede convertir en distancia dividiendo entre dos y multiplicando por la velocidad del sonido. Se divide entre dos porque es la medida de un trayecto de ida y retorno y se puede realizar variando el valor contado en un bit.
La longitud de onda de la frecuencia portadora determina la resolución del sistema. Una frecuencia de 40 kHz tiene una forma de onda de unos 0,85 cm. Si se pasa a una mayor frecuencia de portadora se aumenta la resolución pero disminuye la directividad y se acorta el alcance.
La resolución también puede verse afectada por la precisión del oscilador utilizado para medir el tiempo del pulso de retorno, y retrasa la propagación de la señal a través de un filtro más complejo. Teniendo todo esto en cuenta, la resolución de un sistema de ultrasonidos que funcione a 40 kHz puede ser aproximadamente de 1 cm y no depende del alcance, detectando únicamente el pulso de retorno.
Hay dos maneras de ampliar la máxima distancia detectable en esta aplicación: aumentar la potencia de transmisión y aumentar la sensibilidad del receptor. Esta demostración utiliza patillas de E/S para controlar el transmisor hasta un máximo de 20 mA y 5 V; pueden emplearse circuitos controladores de MOSFET para elevar la corriente y la tensión de control. La ganancia del receptor a 40 kHz determina qué puede detectar el comparador.
La demostración utiliza un solo amplificador operacional como amplificador diferencial. Al haber una sola etapa, no se necesita filtrado. Un receptor multietapa necesitaría algún filtrado entre la primera etapa de ganancia y el comparador para reducir el ruido. Un control cuidadoso de la tensión de umbral hacia el comparador también asegurará la detección del pulso de retorno más pequeño.
Si se utilizan un transmisor y un receptor por separado, ambos deberían estar alineados en la misma dirección. La señal transmitida y toda oscilación posterior se derivarán por la placa hacia la circuitería del receptor. Si se deja más espacio o una separación entre los dispositivos en la placa se ayudará a minimizar esta fuga. En el montaje de los transductores de ultrasonidos se emplea a menudo goma o silicio para limitar la cantidad de señal de ultrasonidos derivada hacia/desde el material circundante.
Conclusión
La detección de distancia por ultrasonidos se realiza mediante un PIC16F690, un amplificador operacional MCP6022 y el dispositivo de ultrasonidos MA40S4R/S de Murata. Dos patillas en el puerto del microcontrolador PIC ofrecen la suficiente capacidad de control como para transmitir un pulso de ultrasonidos. Se emplean Timer0 y Timer1 para generar una señal de 40 kHz y para calcular el tiempo del pulso de retorno. El MCP6022 amplifica la señal en el receptor y el comparador analógico interno PIC16F690 sirve para detectar la presencia del pulso de retorno en la señal.
