medidor de distacias por ultra sonido

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[email protected] (JZB81) - 1 - Rev.B. 07/07/2008

Fig. 1. Sensor Ultrasnico UCM-R40K1. Transmisor y Receptor.

Tabla 1. Caractersticas del sensor UCM - R40K1.

Fig. 2. Esquema del UCM-R40K1.

RESUMEN Esta nota de aplicacin describe la implementacin de un medidor de distancia utilizando sensores ultrasnicos del tipo UCM-R40K1. Una rfaga de 40KHz es transmitida a travs de un sensor ultrasnico, el ultrasonido reflejado es recibido por un sensor receptor, el clculo de la distancia se hace con un PIC16F873. El rango de distancia medido es de 25cm a 200cm

1. INTRODUCCIN. Ultrasonido hace referencia a las frecuencias arriba de 20KHz (lmite de sonido audible). Altas frecuencias tienen longitudes de onda cortas lo que hace que al reflejarse en objetos esta pueda ser leda. Desafortunadamente frecuencias muy altas son difciles de generar y leer. La generacin y lectura de ultrasonido se hace a travs de dos unidades piezoelctricas en donde una de ellas es el emisor y la otra el receptor de ondas de presin ultrasnicas. Para esto, la unidad emisora debe excitarse con una seal adecuada en amplitud y frecuencia. La unidad receptora transducir todas aquellas ondas de presin ultrasnicas de 40KHz que lleguen a excitarla. El ultrasonido es aplicado comnmente en detectores de movimiento, medidores de distancia, diagnostico mdico, limpieza, pruebas no destructivas (para detectar imperfecciones en materiales), soldadura entre otras ms.

2. UCM-R4OK1. El nmero de parte incluye al transmisor y al receptor, marcados con T y R. En la figura 1 se muestra fsicamente el este sensor tanto el transmisor como el receptor. En la figura 2 se observa la estructura interna de este sensor.

Caractersticas UCM-R40K1 Frecuencia de resonancia:

40KHz

Nivel de Presin Sonora: 115dB< Sensitividad: -64dB< Mxima entrada de voltaje :

20Vrms

Directividad tpica: 55

3. MEDIDOR DE DISTANCIA ULTRASNICO.

La tabla 2 muestra las caractersticas ms importantes del medidor de distancia ultrasnico y en la figura 3 se observa el circuito impreso para dicho circuito.

Nota de Aplicacin 001 Documentos Asociados: Ensamblando mdu.asm

Medidor de Distancia Ultrasnico Dispositivo: UCM-R40K1 Par sensor ultrasnico Tx, Rx.



Tabla 1. Caractersticas del circuito medidor de distancia.

Fig. 3. Circuito Medidor de Distancia.

Fig. 4. Medicin de distancia por ultrasonido.

Fig. 5. Tcnica para medir distancia.

Caractersticas MDU

Tipo de Sensor Ultrasnico de reflexin

Frecuencia 40KHz Distancia mnima 25cm Distancia mxima 200cm Resolucin 1 cm Sensibilidad Detecta un objeto de

dimetro 8cm a < 1m Tensin de entrada 9V Consumo de corriente 60mA tip.

La distancia es calculada leyendo el tiempo que tarda en regresar una onda ultrasnica reflejada. Idealmente el obstculo debe tener una seccin transversal grande y no absorber el ultrasonido. El mtodo ms utilizado para la determinacin de la distancia es enviar trenes de pulsos de 40 Khz. con periodos muy cortos. El tiempo transcurrido entre el comienzo de la emisin y el comienzo de la recepcin ser proporcional a la distancia recorrida por las ondas ultrasnicas. Como los ecos deben recorrer ms distancia, stos sern recibidos por el receptor un periodo de tiempo despus que las ondas directas, y no perturbarn a la hora de cuantificar la distancia. En la figura 4 se muestra la forma en la que se transmite y recibe la seal de ultrasonido para medir la distancia de los objetos a travs del UCM-R40K1.

3.1. Funcionamiento

Para medir la distancia por ultrasonido con el circuito, se emplea la tcnica de rfaga, el circuito genera rfagas de 40 Khz., con el UCM-R40K1/Tx, con duracin de 5 mS cada 65 mS. Al detectar la onda reflejada, con el UCM-R40K1/Rx, genera una interrupcin 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 20C, por lo tanto el tiempo en recorrer un centmetro (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 divisin entre dos es debido a que se considera que la onda al reflejarse viaja el doble de distancia desde donde se emiti.



Fig. 6. Diagrama del circuito transmisor.

Fig. 7. Diagrama del circuito Receptor.

Fig. 8. Circuito de deteccin (demodulacin).

Para hacer el clculo de la distancia se divide el valor del timer ( fosc = 4MHz, una cuenta igual a 1uS) entre dos veces el tiempo de un centmetro.

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 caracterstica de poder ponerlos en paralelo y aumentar la potencia de transmisin. 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 rfagas de 5ms. La seal acoplada entre las terminales positiva y negativa del transmisor ultrasnico esta desfasada 180, por lo que el voltaje aplicado entre las terminales es el doble.

3.3. Receptor. El receptor se compone de dos circuitos: amplificador de seal y circuito de deteccin. La seal 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 seal consiste de un rectificador medio puente y un comparador como se muestra en la figura 8. El voltaje de comparacin esta establecido en 0.045Vcc. El voltaje de comparacin queda establecido por los valores de las resistencias Ra y Rb de acuerdo a la siguiente ecuacin:

Vccxx

xVccRR

RVccV

ba

bref 045.0

1047101)1047()(

36

3=+=+=

El voltaje de salida del comparador alimenta a un circuito divisor de voltaje que componen R10 y R11,

comp

comp

o

compO

Vxx

VxRR

VRVV

543.0 107.4106.5

)(106.5)(33

3

111

1111

==+=+==

Con esto si el voltaje de alimentacin es de 9V se asegura un voltaje mnimo de 4.5 para alimentar la entrada TTL del circuito de retencin.

3.4. Circuito de Retencin. El circuito de retencin esta constituido por un flip-flop R-S, este circuito desactiva la deteccin durante los primeros 1.5 ms para evitar una deteccin 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 transmisin hasta el regreso de la onda y deteccin de la misma.



Fig. 9. Circuito de Retencin.

Fig.10. Separacin 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 lmites mnimo y mximo se enuncian a continuacin: Distancia de separacin entre TX y RX. Tamao y textura del obstculo. Angulo de reflexin. Temperatura. Tiempo de la rfaga. Tiempo de guarda. La principal consideracin en hardware es la posicin de los sensores, si el sensor receptor es puesto lejos del transmisor podra no ser capaz de detectar objetos muy cercanos como se ilustra en la figura 10.

Para aplicaciones en donde se requiere medir distancias pequeas la distancia de separacin ptima 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 edicin, los cuales son el tiempo de rfaga y el tiempo de guarda. El tiempo de rfaga modifica de manera significativa la distancia mnima a medir, as como tambin reduce la distancia mxima debido a que tambin reducimos la energa de la rfaga de 40KHz.

3.5.1. Distancia Mnima y Mxima. El timer 0 es empleado para generar una interrupcin cada 65mS. Esta interrupcin se encarga de configurar a estado inicial el puerto RA5 (deshabilita entrada de pulso), reinicia modo captura, enva pulso durante 0.5mS y tiene un tiempo de resguardo de 1 ms. Estos dos ltimos tiempos son los valores a modificar para obtener diferentes rangos de medicin. Durante el envo de la rfaga 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 parmetro 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 mnima de 3 cm el registro W tiene que ser cargado con un valor aproximado de 30, como se muestra en la figura 11, en combinacin 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 rfaga de 40KHz.

Fig. 12. Rutina de tiempo de resguardo de 1ms.

Fig. 13. Ajuste a 1m de distancia

Fig. 14. Medicin afectada por ngulo de reflexin.

El rango de error ser proporcional a las distancias a medir, si deseamos obtener medidas pequeas, las longitudes grandes presentaran errores de hasta 10cm, por el contrario si deseamos ver longitudes grandes, las medidas pequeas 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 medicin como se observa en la figura 13. La medicin es a partir del lmite del cuerpo del sensor. La mxima distancia se logra si la frecuencia con la que es alimentado el transmisor alcanza la frecuencia de resonancia (40KHz).

Para una medicin 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 reflexin. 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 reflexin se hace sobre una superficie a 45, lo cual har que el ultrasonido se desve en forma perpendicular, la medicin ser de acuerdo al objeto que se encuentre ms cercano o en su defecto si sale fuera de rango marcara un error. Nota1: El calculo de la distancia esta calculado para 20. De acuerdo a la ecuacin:

v = 331.5 + 0.6 * t [ m/sec ], t=C El divisor debera 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.



AG Electrnica S.A. de C.V. Divisin de Ingeniera Republica del Salvador N.20 Desp. 501 Col. Centro Mxico D.F. C.P. 06000 Tel. (55) 5130-7210 www.agelectronica.com Autor: Ing. Javier Zamudio Bautista Actualizacin. Daniel Bastian Luna UAM Azcapotzalco Primera revisin: 13/Mayo/2006 Rev. A. Segunda revisin: 7/Julio/2008 Rev. B.

Referencias. Documentos. Renesas, AN0403006/Rev.1.00 Pginas Web. http://www.interq.or.jp/japan/se-inoue/e_pic6_6.htm http://www.nicera.co.jp

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medidor de distacias por ultra sonido

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