59078 Image73 (4)

Projekty AVT

Jak wskazuje nazwa, przyrząd służy do pomiaru odległości. Jednak pomiar ten jest wykonywany nietypową metodą - a mianowicie za pomocą ultradźwięków. Jest to bardzo dobry sposób przy pomiarach, w których trudno jest dosięgnąć zwykłą metrówką. Układ ten pozwala na dokładny pomiar odległości od 20cm do około lim. A zatem znajdzie zastosowanie w wielu dziedzinach.

Opis układu

Ultradźwięki to dźwięki powyżej częstotliwości słyszalnej dla człowieka, czyli ponad lókHz. Odbijają się one od przeszkód i w miarę prostopadłego podania na przeszkodę część z nich powraca do ośrodka, z którego zostały wysłane. Dzięki tej właściwości oraz dzięki temu, iż rozchodzą się w powietrzu z względnie małą prędkością, jesteśmy w stanic zmierzyć z dość dużą dokładnością odległość od przeszkody, od której się odbiły. Należy po prostu zmierzyć czas między wysłaniem ultradźwięków a ich powrotem. Jednak aby w miarę dokładnie zmierzyć tę odległość, trzeba brać pod uwagę również inne czynniki, takie jak np.: temperatura (im wyższa temperatura, tym prędkość dźwięku jest wyższa o ok. 0.6m/s na każdy stopień) czy nawet skład powietrza (im więcej dwutlenku węgla, tym prędkość dźwięku jest mniejsza). Podczas testów urządzenia okazało się, że w ciepłym pokoju, w którym nie było wietrzone przez dłuższy czas, układ wskazywał dość dużą różnicę w stosunku do mierzonej odległości na dworze. Z tego też względu zastosowałem prymitywny pomiar temperatury za pomocą wielce nieliniowego elementu, jakim jest termistor. I choć w temperaturach, w jakich miał być używany, miernik wykazywał w miarę „liniową’’ charakterystykę, uznałem, iż nic jest to odpowiedni układ do pomiaru (zbyt mało precyzyjny, choć nieliniowość

termistora dałoby się wyprostować za pomocą odpowiedniego programu w procesorze). Fomyślałem wtedy o cyfrowym czujniku temperatury, ale niestety jego cena za bardzo zwiększyłaby koszt urządzenia. Ponadto nie jest potrzebna aż taka dokładność, jaką posiadają czujniki np. DS1820. Wpadłem więc na inny pomysł, i choć wymaga on minimalnej cierpliwości, nie powoduje zwiększenia nakładów finansowych, eliminuje także zmianę prędkości ultradźwięków spowodowaną innym składem powietrza niż „standardowy”. Po prostu układ ma opcję pomiaru prędkości dźwięku w danym otoczeniu i dzięki temu można wyeliminować wszelkie (a przynajmniej większość) czynniki, które powodują zmianę prędkości dźwięku w danym ośrodku.

Schemat układu przedstawiony jest na rysunku 1. Jako nadajnik i odbiornik ultradźwięków pracują tanie przetworniki 40s: i 40sr. Procesor ma za zadanie wytwarzać przebieg prostokątny o częstotliwości 40kHz i czasie ok. 0,25ms (przy pomiarze większych odległości - do lOm czas ten automatycznie ustawia się na 5ms). Podawany on jesi poprzez tranzystor i cewkę LI do nadajnika Y2. Cewka pełni tu podwójną rolę; jest ona potrzebna do powstania rezonansu, a zarazem lepszego wykorzystania mocy nadajnika, jak również (dzięki dzielonemu uzwojeniu jest ona transformatorem) zwiększa napięcie na nadajniku do wartości co najmniej kilkudziesięciu V. Po odbiciu się sygnału od przeszkody z nadajnika trafia on do odbiornika Yl, zamieniającego ultradźwięki na napięcie. Napięcie to jest bardzo małe, dlatego też zostało zwiększone za pomocą wzmacniacza operacyjnego IJ5 (CA3080). Jego wzmocnienie zależy od stosunku rezystancji R15 i R16 oraz od prądu płynącego poprzez nóżkę 5 tegoż wzmacniacza. W układzie, choć nie widać tego na pierwszy rzut oka, zastosowany

został filtr pasmow'0-przepustowy. Ponieważ kondensator C3 jest malej wartości, to nie przepuszcza sygnałów akustycznych (stanow i dla nich dużą rezystancję) o niższych częstotliwościach niż 40kHz, iłumi więc niższe częstotliwości. Z kolei częstotliwości wyższe niż 40kHz są tłumione przez ograniczone pasmo przenoszenia wzmacniacza. Wzmacniacz oczywiście je wzmacnia, ale w mniejszym stopniu niż sygnał podstawowy. Po tej filtracji sygnał po wstępnym wyprostowaniu (a raczej nieprzepuszczeniu ujemnych impulsów) trafia na układ logarytmujący zbudowany na wzmacniaczu operacyjnym U2A. Elementem, który nadaje właściwości logarytmujące temu wzmacniaczowi, jest tranzystor T3. Takie rozwiązanie powoduje, iż układ lepiej selekcjonuje interesujący nas sygnał. Po przejściu przez układ logarytmujący sygnał trafia do IJ2R, gdzie zostaje wzmocniony, a następnie podany na końców kę DO procesora. Procesor ma za zadanie zatrzymać pomiar czasu, gdy na tej końcówce pojawi się sygnał dodatni, czyli w momencie gdy odbiornik Yl odbierze ultradźwięki.

Przyciski S1-S3 służą do ustaw iania parametrów układu, SI służy także do „obudzenia” układu. Jeśli nie korzystamy z miernika przez czas ok. 20s, to na końcówce PortD5 (nóżka 9) pojawi się logiczna jedynka. Spowoduje ona, że tranzystor T6 się otworzy, T7 - zatka i odłączy zasilanie od całego układu. W takim momencie układ pobiera do ImA prądu (zwykle 0,8mA). Ponieważ prąd ten zależy głównie od rezystora R27 (im większa jego wartość, tym prąd mniejszy), to teoretycznie można zwiększyć tę rezystancję do lOOkO. Niestety, tranzystor T6 (BS108) zaczyna pracować wtedy bardzo niestabilnie. Nasuwa się prosty wniosek - należy zastosować tranzystor, który będzie działał stabilnie przy bardzo małym prądzie dren-źródło.

18 Czerwiec 2006 Elektronika dla Wszystkich