Tabla 1. Características del sensor UCM - R40K1.
Fig. 2. Esquema del UCM-R40K1.
RESUMEN
Esta nota de aplicación describe la implementación de un medidor de distancia utilizando sensores ultrasónicos del tipo UCM-R40K1. Una ráfaga de 40KHz es transmitida a través de un sensor ultrasónico, el ultrasonido reflejado es recibido por un sensor receptor, el cálculo de la distancia se hace con un PIC16F873. El rango de distancia medido es de 25cm a 200cm
1.
INTRODUCCIÓN.
Ultrasonido hace referencia a las frecuencias arriba de 20KHz (límite de sonido audible). Altas frecuencias tienen longitudes de onda cortas lo que hace que al reflejarse en objetos esta pueda ser leída. Desafortunadamente frecuencias muy altas son difíciles de generar y leer.
La generación y lectura de ultrasonido se hace a través de dos unidades piezoeléctricas en donde una de ellas es el emisor y la otra el receptor de ondas de presión ultrasónicas. Para esto, la unidad emisora debe excitarse con una señal adecuada en amplitud y frecuencia. La unidad receptora transducirá todas aquellas ondas de presión ultrasónicas de 40KHz que lleguen a excitarla.
El ultrasonido es aplicado comúnmente en detectores de movimiento, medidores de distancia, diagnostico médico, limpieza, pruebas no destructivas (para detectar imperfecciones en materiales), soldadura entre otras más.
2.
UCM-R4OK1.
El número de parte incluye al transmisor y al receptor, marcados con T y R. En la figura 1 se muestra físicamente el este sensor tanto el transmisor como el receptor. En la figura 2 se observa la estructura interna de este sensor.
Características UCM-R40K1
Frecuencia de
resonancia: 40KHz Nivel de Presión Sonora: 115dB< Sensitividad: -64dB< Máxima entrada de voltaje : 20Vrms Directividad típica: 55º
3.
MEDIDOR DE DISTANCIA
ULTRASÓNICO.
La tabla 2 muestra las características más importantes del medidor de distancia ultrasónico y en la figura 3 se observa el circuito impreso para dicho circuito.
Nota de Aplicación 001 Documentos Asociados: Ensamblando mdu.asm
Medidor de Distancia Ultrasónico
Dispositivo: UCM-R40K1
Par sensor ultrasónico Tx, Rx.
Tabla 1. Características del circuito medidor de distancia.
Fig. 3. Circuito Medidor de Distancia.
Fig. 4. Medición de distancia por ultrasonido.
Fig. 5. Técnica para medir distancia.
Características
MDU
Tipo de Sensor Ultrasónico de reflexión Frecuencia 40KHz Distancia mínima 25cm Distancia máxima 200cm
Resolución 1 cm
Sensibilidad Detecta un objeto de diámetro 8cm a < 1m Tensión de entrada 9V
Consumo de corriente 60mA tip.
La distancia es calculada leyendo el tiempo que tarda en regresar una onda ultrasónica reflejada. Idealmente el obstáculo debe tener una sección transversal grande y no absorber el ultrasonido. El método más utilizado para la determinación de la distancia es enviar trenes de pulsos de 40 Khz. con periodos muy cortos. El tiempo transcurrido entre el comienzo de la emisión y el comienzo de la recepción será proporcional a la distancia recorrida por las ondas ultrasónicas. Como los ecos deben recorrer más distancia, éstos serán recibidos por el receptor un periodo de tiempo después que las ondas directas, y no perturbarán a la hora de cuantificar la distancia. En la figura 4 se muestra la forma en la que se transmite y recibe la señal de ultrasonido para medir la distancia de los objetos a través del UCM-R40K1.
3.1.
Funcionamiento
Para medir la distancia por ultrasonido con el circuito, se emplea la técnica de ráfaga, el circuito genera ráfagas de 40 Khz., con el UCM-R40K1/Tx, con duración de 5 mS cada 65 mS. Al detectar la onda reflejada, con el UCM-R40K1/Rx, genera una interrupción la cual detiene un timer de 16 bits como se indica en la figura 5.
Para calcular la distancia se toma el valor de la velocidad del sonido de 343m/s = 34300cm/s a 20ºC, por lo tanto el tiempo en recorrer un centímetro (t1):
t1=(1cm x 1seg)/34300cm = 29.15us
Por ejemplo:
Tiempo total de la onda reflejada = 3887us. La distancia entre el sensor y el objeto: (3887us/2)/29= 67.017 cm. La división entre dos es debido a que se considera que la onda al reflejarse viaja el doble de distancia desde donde se emitió.
Fig. 6. Diagrama del circuito transmisor.
Fig. 7. Diagrama del circuito Receptor.
Fig. 8. Circuito de detección (demodulación). Para hacer el cálculo de la distancia se divide el
valor del timer ( fosc = 4MHz, una cuenta igual a 1uS) entre dos veces el tiempo de un centímetro.
3.2.
Transmisor.
El transmisor esta construido con un circuito integrado 555 en modo astable y configurado para variar su frecuencia en un rango de 80KHz a 35 KHz, la frecuencia ideal de trabajo es 40KHz. Los inversores CMOS, se emplean para aprovechar su característica de poder ponerlos en paralelo y aumentar la potencia de transmisión. El bloque del circuito transmisor se muestra en la figura 6. El pin 4 (RST) del 555 es conmutado mediante el pin RC4 del PIC con lo cual se conmuta el tren de pulsos de 40 KHz y se obtienen ráfagas de 5ms. La señal acoplada entre las terminales positiva y negativa del transmisor ultrasónico esta desfasada 180º, por lo que el voltaje aplicado entre las terminales es el doble.
3.3.
Receptor.
El receptor se compone de dos circuitos: amplificador de señal y circuito de detección. La señal es recibida por el sensor receptor y amplificada 1000 veces (60dB) en dos pasos un amplificador por 100 (40dB) y un amplificador por 10 (20dB) como se observa en la figura 7.
El detector de señal consiste de un rectificador medio puente y un comparador como se muestra en la figura 8. El voltaje de comparación esta establecido en 0.045Vcc.
El voltaje de comparación queda establecido por los valores de las resistencias Ra y Rb de acuerdo a la siguiente ecuación: Vcc x x x Vcc R R R Vcc V b a b ref 0.045 10 47 10 1 ) 10 47 ( ) ( 3 6 3 = + = + =
El voltaje de salida del comparador alimenta a un circuito divisor de voltaje que componen R10 y R11, comp comp o comp O V x x V x R R V R V V 543 . 0 10 7 . 4 10 6 . 5 ) ( 10 6 . 5 ) ( 3 3 3 11 1 11 11 = = + = + = =
Con esto si el voltaje de alimentación es de 9V se asegura un voltaje mínimo de 4.5 para alimentar la entrada TTL del circuito de retención.
3.4.
Circuito de Retención.
El circuito de retención esta constituido por un flip-flop R-S, este circuito desactiva la detección durante los primeros 1.5 ms para evitar una detección falsa debido al ruido provocado por el transmisor. La salida de este circuito es acoplado al pin 13 del PIC (CCP1). El diagrama de tiempos muestra las formas de onda a partir de la transmisión hasta el regreso de la onda y detección de la misma.
Fig. 9. Circuito de Retención.
Fig.10. Separación de sensores
3.5.
Consideraciones en Hardware y
Firmware para diferentes
mediciones de distancia.
El rango de distancia medida por el circuito es de 3 cm a 11m, las condiciones que determinan los límites mínimo y máximo se enuncian a continuación:
Distancia de separación entre TX y RX.
Tamaño y textura del obstáculo.
Angulo de reflexión.
Temperatura.
Tiempo de la ráfaga.
Tiempo de guarda.
La principal consideración en hardware es la posición de los sensores, si el sensor receptor es puesto lejos del transmisor podría no ser capaz de detectar objetos muy cercanos como se ilustra en la figura 10.
Para aplicaciones en donde se requiere medir distancias pequeñas la distancia de separación óptima es de 3.5cm considerando los ejes de los sensores.
En caso de necesitar hacer modificaciones al firmware es necesario tomar en cuenta los puntos clave que modifican los rangos de edición, los cuales son el tiempo de ráfaga y el tiempo de guarda.
El tiempo de ráfaga modifica de manera significativa la distancia mínima a medir, así como también reduce la distancia máxima debido a que también reducimos la energía de la ráfaga de 40KHz.
3.5.1. Distancia Mínima y Máxima.
El timer 0 es empleado para generar una interrupción cada 65mS. Esta interrupción se encarga de configurar a estado inicial el puerto RA5 (deshabilita entrada de pulso), reinicia modo captura, envía pulso durante 0.5mS y tiene un tiempo de resguardo de 1 ms. Estos dos últimos tiempos son los valores a modificar para obtener diferentes rangos de medición.
Durante el envío de la ráfaga de 40Khz el pin RC4 (15) del PIC manda un 1 durante 0.5ms (retardo) al pin RESET (4) del 555, por lo que para cambiar este tiempo tenemos que cambiar el parámetro de la rutina de retardo.
En la rutina de retardo de 0.5ms el valor cargado al registro W determina el tiempo de retardo, para lograr una medida mínima de 3 cm el registro W tiene que ser cargado con un valor aproximado de 30, como se muestra en la figura 11, en combinación con un valor de 01 en la rutina de retardo de 1ms, esto se observa en la figura 12.
Fig. 11. Rutina de retardo para ráfaga de 40KHz.
Fig. 12. Rutina de tiempo de resguardo de 1ms.
Fig. 13. Ajuste a 1m de distancia
Fig. 14. Medición afectada por ángulo de reflexión.
El rango de error será proporcional a las distancias a medir, si deseamos obtener medidas pequeñas, las longitudes grandes presentaran errores de hasta 10cm, por el contrario si deseamos ver longitudes grandes, las medidas pequeñas presentaran errores proporcionales. Por lo que es necesario dividir por rangos las distancias a medir. Por ejemplo: 3cm – 30cm, 30cm – 3 m, 3m – 10 m
3.6 Ajuste.
A un metro de distancia de una pared plana mover R16 hasta obtener la medición como se observa en la figura 13. La medición es a partir del límite del cuerpo del sensor. La máxima distancia se logra si la frecuencia con la que es alimentado el transmisor alcanza la frecuencia de resonancia (40KHz).
Para una medición adecuada, sobre todo en distancias grandes se deben de cumplir las siguientes condiciones:
• El objeto debe estar perpendicular al medidor.
• La superficie del objeto debe ser plana.
• No debe haber objetos alrededor que puedan hacer una reflexión.
• El objeto no debe ser muy absorbente, como por ejemplo tela o una pared corrugada.
Un caso especial de lectura es el que se observa en la figura 14.
En este caso la reflexión se hace sobre una superficie a 45º, lo cual hará que el ultrasonido se desvíe en forma perpendicular, la medición será de acuerdo al objeto que se encuentre más cercano o en su defecto si sale fuera de rango marcara un error.
Nota1: El calculo de la distancia esta calculado para 20º. De acuerdo a la ecuación:
v = 331.5 + 0.6 * t [ m/sec ], t=ºC
El divisor debería variar respecto a la temperatura. Estos ajustes se pueden hacer con el convertidor A/D.
Fig. 15. Formas de onda en puntos principales del medidor de distancia.
