La détection de distance par ultrasons peut être réalisée avec un dispositif à ultrasons ajouté uniquement à un amplificateur opérationnel et à un microcontrôleur doté de quatre broches d'E/S, y compris un comparateur intégré interne.
Pour voir comment cela fonctionne, prenons un émetteur à ultrasons qui émet une impulsion à 40 kHz ou plusieurs oscillations à cette fréquence. Le microcontrôleur peut envoyer une onde carrée d'une ou plusieurs longueurs d'onde au dispositif à ultrasons pour générer l'impulsion. Cette impulsion est réfléchie par tout objet de densité supérieure à l'air, et une partie de l'impulsion émise revient au récepteur. Le temps total aller-retour est mesuré et converti en distance en connaissant la vitesse du son.
Le son a besoin d'un support pour se déplacer, comme l'air, l'eau ou l'acier. En général, plus le médium est dense, plus le son se propage rapidement. La vitesse du son dans l'air varie en fonction de la température, de l'humidité et de l'altitude. A température ambiante, on peut supposer qu'elle est constante et d'environ 343 m/s. C'est une vitesse idéale pour utiliser des microcontrôleurs pour mesurer la durée aller-retour d'une impulsion émise à quelques mètres de distance.
Le type de surface réfléchissante n'est pas critique ; à 40 kHz, presque toutes les surfaces réfléchissent l'onde sonore entrante. Un contact perpendiculaire avec la surface est préférable car les impulsions réfléchies retournent vers le récepteur. Lorsque l'angle d'incidence avec la surface augmente, la proportion de l'impulsion réfléchie au niveau du récepteur diminue.
Un transducteur à ultrasons fonctionne comme un buzzer piézoélectrique, mais à une fréquence plus élevée et inaudible. Lorsqu'un courant électrique traverse le dispositif piézoélectrique, il se déforme ou se plie et reprend sa forme d'origine lorsque le courant est supprimé. Lorsqu'une onde carrée de 40 kHz est appliquée aux broches de l'appareil, une impulsion sonore de 40 kHz est émise. Un récepteur à ultrasons fonctionne de manière opposée et génère une tension d'amplitude bien inférieure à celle des ultrasons entrants.
Un appareil à ultrasons peut être un émetteur, un récepteur ou les deux, et est fourni dans un format de type hermétique ouvert ou fermé. Cette application utilise des dispositifs séparés de réception et de transmission de type ouvert. Ce type est le plus facile à manipuler car les émetteurs scellés nécessitent une tension de commande plus élevée.
La figure 1 montre le circuit équivalent d'un appareil à ultrasons. Il agit comme une charge capacitive, mais en raison de facteurs inductifs et capacitifs, il s'adapte à une fréquence de résonance de 40 kHz. L'émetteur est réglé sur la valeur de sortie maximale tandis que le récepteur est réglé sur la tension de sortie maximale d'un signal entrant de 40 kHz. Il s'agit d'un effet de filtrage atténuant à toutes les autres fréquences et est utile pour éliminer le bruit lorsque le signal reçu est amplifié. Les valeurs typiques des appareils utilisés dans la démonstration sont répertoriées au bas de la Fig. 1.
Contrôle d'un appareil à ultrasons
Le contrôle d'un émetteur ultrasonore capacitif avec un signal différentiel fournit le courant de transmission le plus élevé et maintient un décalage de 0,0 V dans l'appareil. Le contrôle différentiel des broches élimine également le besoin d'une alimentation négative pour piloter l'appareil.
Un problème avec les transducteurs à ultrasons est qu'ils continueront à osciller ou à transmettre après la suppression du signal de commande. Ceci est dû au comportement mécanique résonant du transducteur. Le transducteur est réglé pour osciller comme une cloche à la fréquence ultrasonique spécifiée lorsqu'il est ainsi entraîné, et il a besoin d'un certain temps pour arrêter d'osciller lorsque l'entraînement est retiré. Lorsque l'émetteur oscille, le signal se couple à travers la carte ou voyage dans l'air entre l'émetteur et le récepteur, et il ressemble à un signal reçu. Par conséquent, un délai est nécessaire avant d'allumer le récepteur pour s'assurer qu'il a cessé d'osciller et que tout signal reçu est celui d'une impulsion réfléchie. Le temps nécessaire pour qu'il cesse d'osciller détermine la distance minimale détectable par rapport au récepteur (voir Fig. 2).
Les appareils à ultrasons doivent être contrôlés à une fréquence aussi proche que possible de la fréquence spécifiée pour maximiser la puissance de sortie. L'oscillateur interne de 8 MHz du PIC16F690 de Microchip, par exemple, peut être facilement divisé pour générer un signal de commande de 40 kHz. Deux broches d'E/S d'un microcontrôleur PIC peuvent être utilisées pour générer le signal différentiel de 40 kHz qui pilote l'émetteur à ultrasons. Cette application utilise l'interruption de débordement Timer0 pour créer la base de temps de la sortie.
Comme alternative, une méthode plus automatique pour le contrôle d'un appareil à ultrasons consisterait à utiliser le module ECCP que de nombreux microcontrôleurs PIC intègrent. Le module peut être configuré pour générer un PWM de la fréquence sélectionnée sur les deux broches, P1A et P1B, en mode demi-pont et avec une sortie inversée. Le module ECCP utilise Timer2 pour établir une base de temps pour PWM. L'activation de la mise à l'échelle de Timer2 permet à l'utilisateur de définir le nombre d'impulsions générées avant d'activer l'avertissement d'interruption. Cette méthode permet d'envoyer une impulsion ultrasonore avec une seule interruption.
Une fois que le signal ultrasonore est généré et envoyé depuis l'émetteur ultrasonore, la tâche suivante consiste à détecter et chronométrer une impulsion réfléchie renvoyée. La forme d'onde sonore renvoyée est considérablement atténuée et doit être amplifiée avant que le signal ne soit détecté par un comparateur. Cette amplification peut être effectuée avec un seul ampli op dans une configuration d'ampli différentiel.
amplificateur différentiel
La figure 3 montre un exemple de circuit pour un amplificateur différentiel. Ce circuit basé sur un amplificateur opérationnel amplifie la tension qui atteint le récepteur à ultrasons connecté entre les deux broches d'entrée. Le bruit de mode commun à la sortie est minimisé en ajustant la polarisation d'entrée entre les résistances R2 et R4 et les résistances R1 et R3.
Le récepteur à ultrasons agit comme un filtre accordé de haute qualité. L'ampli op différentiel amplifie l'effet de filtrage de ce récepteur. Le premier ampli op amplifie et filtre le signal entrant contre le bruit de mode commun. Les étapes ultérieures de l'ampli op amplifient tout bruit et doivent ajouter d'autres filtres. La sélection de l'ampli op approprié pour le premier étage de gain du récepteur à ultrasons peut éliminer le besoin de plus d'un ampli op et de filtres.
Cette démo utilise l'ampli op MCP6022 de Microchip car il a une bande passante à gain unitaire (UGBW) de 10 MHz. Un UGBW plus élevé signifie que le gain de l'ampli op est plus élevé à une fréquence donnée, comme par exemple 40 kHz.
Le circuit de démonstration utilisé a un gain entre 250 et 300 à 40 kHz car le gain est limité par l'UGBW et n'est pas déterminé par R1/R2.
Un isolateur de données est un circuit courant dans de nombreuses applications de communication. Compare une tension de seuil (V_th) avec l'entrée amplifiée pour détecter le signal. V_th sur la figure 4 est défini légèrement en dessous de la valeur moyenne du signal ultrasonore amplifié (V_US).
Chaque fois qu'une impulsion ultrasonore est amplifiée, la valeur à la broche C2IN- sera inférieure à la valeur de C2IN+, provoquant ainsi la commutation du comparateur. La valeur de R2 doit être beaucoup plus grande que R1, mais pas si grande qu'elle provoque la commutation du comparateur en raison du bruit dans le signal amplifié. Idéalement, la valeur de R1 est fixée de telle sorte que la valeur de la tension de seuil soit juste au-dessus du bruit du signal ultrasonore reçu. Plus la tension de seuil est proche du signal reçu, plus la distance détectable par le récepteur est grande.
La broche C 2 OUT du microcontrôleur PIC peut être utilisée pour déboguer cet étage du récepteur à ultrasons. Un problème courant est le réglage incorrect de la tension de seuil. S'il est trop bas, la plage de détection du récepteur sera limitée. S'il est trop élevé, le comparateur commute les pics de bruit sur la ligne, ce qui rend impossible de dire quand un signal est présent.
La fonction de porte Timer1 fournit un signal de déclenchement pour le signal d'horloge du compteur 16 bits de Timer1. La sortie du comparateur (C2OUT) peut être sélectionnée comme source interne de la porte Timer1. Le comptage est activé alors que le signal C2OUT est bas. Une fois qu'un signal ultrasonique est détecté et que la valeur de C2OUT change, il arrête de compter. La valeur stockée dans les registres Timer1 (TMR1H:TMR1L) est le temps d'aller-retour compté du signal ultrasonore. Selon la vitesse de l'oscillateur de l'appareil, le nombre de comptages aura une certaine valeur temporelle.
Après avoir détecté l'impulsion ultrasonore de retour, Timer1 stocke une valeur de comptage correspondant au temps de parcours de l'impulsion ultrasonore. Ce nombre de perles peut être converti en distance en divisant par deux et en multipliant par la vitesse du son. Il est divisé par deux car il s'agit de la mesure d'un aller-retour et peut se faire en faisant varier la valeur comptée d'un bit.
La longueur d'onde de la fréquence porteuse détermine la résolution du système. Une fréquence de 40 kHz a une forme d'onde d'environ 0,85 cm. Aller à une fréquence porteuse plus élevée augmente la résolution mais diminue la directivité et raccourcit la portée.
La résolution peut également être affectée par la précision de l'oscillateur utilisé pour chronométrer l'impulsion de retour, et elle retarde la propagation du signal à travers un filtre plus complexe. Compte tenu de tout cela, la résolution d'un système à ultrasons fonctionnant à 40 kHz peut être d'environ 1 cm et ne dépend pas de la portée, ne détectant que l'impulsion de retour.
Il existe deux manières d'étendre la distance détectable maximale dans cette application : augmenter la puissance d'émission et augmenter la sensibilité du récepteur. Cette démo utilise des broches d'E/S pour contrôler l'émetteur jusqu'à un maximum de 20 mA et 5 V ; Les circuits de commande MOSFET peuvent être utilisés pour augmenter le courant et la tension de commande. Le gain du récepteur à 40 kHz détermine ce que le comparateur peut détecter.
La démo utilise un seul ampli op comme amplificateur différentiel. Puisqu'il n'y a qu'une seule étape, la filtration n'est pas nécessaire. Un récepteur à plusieurs étages aurait besoin d'un certain filtrage entre le premier étage de gain et le comparateur pour réduire le bruit. Un contrôle minutieux de la tension de seuil vers le comparateur assurera également la détection de la plus petite impulsion de retour.
Si un émetteur et un récepteur séparés sont utilisés, ils doivent tous deux être alignés dans la même direction. Le signal transmis et toute oscillation ultérieure seront contournés par la carte vers les circuits du récepteur. Laisser plus d'espace ou de dégagement entre les appareils sur la carte aidera à minimiser cette fuite. Le caoutchouc ou le silicium est souvent utilisé dans le montage des transducteurs à ultrasons pour limiter la quantité de signal ultrasonore dérivé vers/depuis le matériau environnant.
Conclusion
La détection de distance par ultrasons est réalisée à l'aide d'un amplificateur opérationnel PIC16F690, MCP6022 et du dispositif à ultrasons MA40S4R/S de Murata. Deux broches sur le port du microcontrôleur PIC fournissent une puissance de contrôle suffisante pour transmettre une impulsion ultrasonore. Timer0 et Timer1 sont utilisés pour générer un signal de 40 kHz et pour calculer le temps d'impulsion de retour. Le MCP6022 amplifie le signal dans le récepteur et le comparateur analogique interne PIC16F690 est utilisé pour détecter la présence de l'impulsion de retour dans le signal.
