Die Ultraschall-Abstandsmessung kann mit einem Ultraschallgerät erreicht werden, das nur zu einem Operationsverstärker und einem Mikrocontroller hinzugefügt wird, der über vier I/O-Pins verfügt, einschließlich eines internen eingebauten Komparators.
Um zu sehen, wie es funktioniert, nehmen wir einen Ultraschallsender, der einen 40-kHz-Impuls oder mehrere Schwingungen mit dieser Frequenz aussendet. Der Mikrocontroller kann eine Rechteckwelle mit einer oder mehreren Wellenlängen an das Ultraschallgerät senden, um den Impuls zu erzeugen. Dieser Impuls wird von jedem Objekt mit einer höheren Dichte als Luft reflektiert und ein Teil des ausgesendeten Impulses kehrt zum Empfänger zurück. Die Gesamtumlaufzeit wird gemessen und in Entfernung umgewandelt, indem die Schallgeschwindigkeit bekannt ist.
Schall braucht ein Medium, durch das er sich ausbreiten kann, wie Luft, Wasser oder Stahl. Generell gilt: Je dichter das Medium, desto schneller breitet sich der Schall aus. Die Schallgeschwindigkeit in der Luft variiert je nach Temperatur, Luftfeuchtigkeit und Höhe. Bei Raumtemperatur kann sie als konstant angenommen werden und beträgt ca. 343 m/s. Es ist eine ideale Geschwindigkeit für die Verwendung von Mikrocontrollern, um die Hin- und Rücklaufzeit eines Impulses zu messen, der einige Meter entfernt ausgesendet wird.
Die Art der reflektierenden Oberfläche ist nicht kritisch; bei 40 kHz reflektieren fast alle Oberflächen die einfallende Schallwelle. Ein senkrechter Kontakt mit der Oberfläche ist vorzuziehen, da die reflektierten Impulse zum Empfänger zurückkehren. Mit zunehmendem Einfallswinkel zur Oberfläche nimmt der am Empfänger reflektierte Impulsanteil ab.
Ein Ultraschallwandler arbeitet ähnlich wie ein piezoelektrischer Summer, jedoch mit einer höheren, nicht hörbaren Frequenz. Wenn ein elektrischer Strom durch das piezoelektrische Gerät fließt, verformt oder biegt es sich und kehrt in seine ursprüngliche Form zurück, wenn der Strom entfernt wird. Wenn eine 40-kHz-Rechteckwelle an die Stifte des Geräts angelegt wird, wird ein 40-kHz-Schallimpuls abgestrahlt. Ein Ultraschallempfänger arbeitet umgekehrt und erzeugt eine Spannung mit einer viel geringeren Amplitude als der ankommende Ultraschall.
Ein Ultraschallgerät kann Sender, Empfänger oder beides sein und wird in einem offenen oder geschlossenen hermetischen Format geliefert. Diese Anwendung verwendet getrennte Empfangs- und Sendegeräte vom offenen Typ. Dieser Typ ist am einfachsten zu handhaben, da versiegelte Sender eine höhere Steuerspannung benötigen.
Abb. 1 zeigt das Ersatzschaltbild eines Ultraschallgeräts. Er wirkt als kapazitive Last, stellt sich aber durch induktive und kapazitive Einflüsse auf eine Resonanzfrequenz von 40 kHz ein. Der Sender wird auf den maximalen Ausgangswert eingestellt, während der Empfänger auf die maximale Ausgangsspannung eines eingehenden 40-kHz-Signals eingestellt wird. Dies ist ein dämpfender Filtereffekt bei allen anderen Frequenzen und ist nützlich zum Entfernen von Rauschen, wenn das empfangene Signal verstärkt wird. Typische Werte der in der Demonstration verwendeten Geräte sind unten in Abb. 1 aufgeführt.
Steuerung eines Ultraschallgerätes
Die Steuerung eines kapazitiven Ultraschallsenders mit einem Differenzsignal liefert den höchsten Sendestrom und behält einen Offset von 0,0 V im Gerät bei. Die differenzielle Pin-Steuerung eliminiert auch die Notwendigkeit einer negativen Stromversorgung zum Ansteuern des Geräts.
Ein Problem bei Ultraschallwandlern besteht darin, dass sie weiter oszillieren oder senden, nachdem das Steuersignal entfernt wurde. Dies ist auf das resonante mechanische Verhalten des Wandlers zurückzuführen. Der Wandler wird so eingestellt, dass er wie eine Glocke mit der angegebenen Ultraschallfrequenz schwingt, wenn er so angetrieben wird, und er braucht eine gewisse Zeit, um mit dem Schwingen aufzuhören, wenn der Antrieb entfernt wird. Wenn der Sender schwingt, koppelt das Signal durch die Platine oder wandert durch die Luft zwischen Sender und Empfänger, und es sieht aus wie ein empfangenes Signal. Daher ist vor dem Einschalten des Empfängers eine Verzögerung erforderlich, um sicherzustellen, dass er aufgehört hat zu oszillieren und dass jedes empfangene Signal das eines reflektierten Impulses ist. Die Zeit, die zum Aufhören der Schwingung benötigt wird, bestimmt den minimal erkennbaren Abstand zum Empfänger (siehe Abb. 2).
Ultraschallgeräte sollten bei einer Frequenz gesteuert werden, die so nahe wie möglich an der angegebenen Frequenz liegt, um die Ausgangsleistung zu maximieren. Der interne 8-MHz-Oszillator des PIC16F690 von Microchip kann beispielsweise einfach aufgeteilt werden, um ein 40-kHz-Steuersignal zu erzeugen. Zwei E/A-Pins eines PIC-Mikrocontrollers können verwendet werden, um das 40-kHz-Differenzsignal zu erzeugen, das den Ultraschallsender antreibt. Diese Anwendung verwendet den Timer0-Überlauf-Interrupt, um die Zeitbasis für die Ausgabe zu erstellen.
Als Alternative würde ein automatisierteres Verfahren zur Steuerung eines Ultraschallgeräts in der Verwendung des ECCP-Moduls bestehen, das viele PIC-Mikrocontroller enthalten. Das Modul kann so konfiguriert werden, dass es im Halbbrückenmodus und mit invertiertem Ausgang eine PWM der ausgewählten Frequenz an beiden Pins P1A und P1B erzeugt. Das ECCP-Modul verwendet Timer2, um eine Zeitbasis für PWM einzurichten. Durch Aktivieren der Skalierung von Timer2 kann der Benutzer die Anzahl der erzeugten Impulse festlegen, bevor die Interrupt-Warnung aktiviert wird. Dieses Verfahren ermöglicht es, einen Ultraschallimpuls mit einer einzigen Unterbrechung zu senden.
Sobald das Ultraschallsignal erzeugt und von dem Ultraschallsender gesendet wurde, besteht die nächste Aufgabe darin, einen zurückgeworfenen reflektierten Impuls zu erkennen und zeitlich festzulegen. Die zurückgeworfene Schallwellenform wird erheblich gedämpft und muss verstärkt werden, bevor das Signal von einem Komparator erkannt wird. Diese Verstärkung kann mit einem einzelnen Operationsverstärker in einer Differenzverstärkerkonfiguration erfolgen.
Differenzverstärker
Abb. 3 zeigt eine beispielhafte Schaltung für einen Differenzverstärker. Diese auf einem Operationsverstärker basierende Schaltung verstärkt die Spannung, die den zwischen den beiden Eingangspins angeschlossenen Ultraschallempfänger erreicht. Gleichtaktrauschen am Ausgang wird minimiert, indem die Eingangsvorspannung zwischen den Widerständen R2 und R4 und den Widerständen R1 und R3 eingestellt wird.
Der Ultraschallempfänger fungiert als hochwertiger abgestimmter Filter. Der differenzielle Operationsverstärker verstärkt die Filterwirkung dieses Empfängers. Der erste Operationsverstärker verstärkt und filtert das eingehende Signal gegen Gleichtaktrauschen. Spätere Stufen des Operationsverstärkers verstärken jegliches Rauschen und müssen andere Filter hinzufügen. Die Auswahl des richtigen Operationsverstärkers für die erste Verstärkungsstufe des Ultraschallempfängers kann die Notwendigkeit von mehr als einem Operationsverstärker und Filtern eliminieren.
Diese Demo verwendet den Operationsverstärker MCP6022 von Microchip, da er eine Unity Gain Bandwidth (UGBW) von 10 MHz hat. Höhere UGBW bedeutet, dass die Verstärkung des Operationsverstärkers bei einer bestimmten Frequenz, beispielsweise 40 kHz, höher ist.
Die verwendete Demoschaltung hat eine Verstärkung zwischen 250 und 300 bei 40 kHz, da die Verstärkung durch die UGBW begrenzt ist und nicht durch R1/R2 bestimmt wird.
Ein Datenisolator ist eine übliche Schaltung in vielen Kommunikationsanwendungen. Vergleicht eine Schwellenspannung (V_th) mit dem verstärkten Eingang, um das Signal zu erkennen. V_th in Fig. 4 ist geringfügig unter dem Mittelwert des verstärkten Ultraschallsignals (V_US) eingestellt.
Jedes Mal, wenn ein Ultraschallimpuls verstärkt wird, ist der Wert an Pin C2IN- kleiner als der Wert von C2IN+, wodurch der Komparator schaltet. Der Wert von R2 sollte viel größer als R1 sein, aber nicht so groß, dass der Komparator aufgrund von Rauschen im verstärkten Signal schaltet. Idealerweise wird der Wert von R1 so eingestellt, dass der Wert der Schwellenspannung gerade über dem Rauschen des empfangenen Ultraschallsignals liegt. Je näher die Schwellenspannung am empfangenen Signal liegt, desto größer ist die vom Empfänger erfassbare Entfernung.
Der C 2 OUT-Pin des PIC-Mikrocontrollers kann verwendet werden, um diese Stufe des Ultraschallempfängers zu debuggen. Ein häufiges Problem ist die falsche Einstellung der Schwellenspannung. Ist sie zu niedrig, wird der Erfassungsbereich des Empfängers eingeschränkt. Wenn es zu hoch ist, schaltet der Komparator die Rauschspitzen auf der Leitung um, sodass nicht erkannt werden kann, ob ein Signal vorhanden ist.
Die Gate-Funktion von Timer1 liefert ein Triggersignal für das 16-Bit-Zählertaktsignal von Timer1. Der Komparatorausgang (C2OUT) kann als interne Quelle des Timer1-Gatters ausgewählt werden. Die Zählung wird aktiviert, während das C2OUT-Signal niedrig ist. Sobald ein Ultraschallsignal erkannt wird und sich der Wert von C2OUT ändert, hört es auf zu zählen. Der in den Timer1-Registern (TMR1H:TMR1L) gespeicherte Wert ist die gezählte Umlaufzeit des Ultraschallsignals. Abhängig von der Geschwindigkeit des Oszillators des Geräts hat die Anzahl der Zählungen einen bestimmten Zeitwert.
Nach dem Erfassen des zurückkommenden Ultraschallimpulses speichert Timer1 einen Zählwert, der der Laufzeit des Ultraschallimpulses entspricht. Diese Anzahl von Perlen kann in Entfernung umgewandelt werden, indem sie durch zwei geteilt und mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert wird. Es wird durch zwei geteilt, weil es die Messung einer Hin- und Rückfahrt ist und durch Variieren des gezählten Werts um ein Bit erfolgen kann.
Die Wellenlänge der Trägerfrequenz bestimmt die Auflösung des Systems. Eine Frequenz von 40 kHz hat eine Wellenform von etwa 0,85 cm. Das Wechseln zu einer höheren Trägerfrequenz erhöht die Auflösung, verringert jedoch die Richtwirkung und verkürzt die Reichweite.
Die Auflösung kann auch durch die Präzision des Oszillators beeinflusst werden, der zum Timing des Rückimpulses verwendet wird, und verzögert die Ausbreitung des Signals durch einen komplexeren Filter. Unter Berücksichtigung all dessen kann die Auflösung eines Ultraschallsystems, das bei 40 kHz arbeitet, ungefähr 1 cm betragen und hängt nicht von der Reichweite ab, da es nur den Rückimpuls erfasst.
Es gibt zwei Möglichkeiten, die maximal erkennbare Entfernung in dieser Anwendung zu erweitern: Erhöhen Sie die Sendeleistung und erhöhen Sie die Empfängerempfindlichkeit. Diese Demo verwendet E/A-Pins zur Steuerung des Senders bis maximal 20 mA und 5 V; MOSFET-Treiberschaltungen können verwendet werden, um den Steuerstrom und die Steuerspannung zu verstärken. Die Empfängerverstärkung bei 40 kHz bestimmt, was der Komparator erkennen kann.
Die Demo verwendet einen einzelnen Operationsverstärker als Differenzverstärker. Da es nur eine Stufe gibt, ist eine Filtration nicht erforderlich. Ein mehrstufiger Empfänger würde eine gewisse Filterung zwischen der ersten Verstärkungsstufe und dem Komparator benötigen, um das Rauschen zu reduzieren. Eine sorgfältige Steuerung der Schwellenspannung zum Komparator gewährleistet auch die Erkennung des kleinsten Rücklaufimpulses.
Wenn ein separater Sender und Empfänger verwendet werden, sollten beide in die gleiche Richtung ausgerichtet werden. Das gesendete Signal und jede nachfolgende Schwingung werden von der Platine an die Empfängerschaltung umgeleitet. Lassen Sie mehr Platz oder Abstand zwischen den Geräten auf der Platine, um diese Leckage zu minimieren. Bei der Montage von Ultraschallwandlern wird häufig Gummi oder Silikon verwendet, um die Menge des Ultraschallsignals zu begrenzen, die zum/vom umgebenden Material driftet.
Fazit
Die Ultraschall-Abstandsmessung wird mit einem Operationsverstärker PIC16F690, MCP6022 und dem Ultraschallgerät MA40S4R/S von Murata durchgeführt. Zwei Pins am PIC-Mikrocontroller-Port liefern genügend Steuerleistung, um einen Ultraschallimpuls zu übertragen. Timer0 und Timer1 werden verwendet, um ein 40-kHz-Signal zu erzeugen und die Rücklaufimpulszeit zu berechnen. Der MCP6022 verstärkt das Signal im Empfänger und der interne analoge Komparator PIC16F690 wird verwendet, um das Vorhandensein des Flyback-Impulses im Signal zu erkennen.
