Как сделать ультразвуковой датчик

Обновлено: 05.07.2024

В статье приводится описание принципа работы ультразвукового дальномера HC-SR04 и некоторых устройств на их основе: сигнализаторов присутствия, аналогового дальномера и выключателя освещения. Конструкции, описание которых приведены в статье, можно использовать в радиокружках для отработки навыков конструирования или в различных устройствах, в том числе и в домашней автоматике.

Но для начала надо подробнее познакомиться с конструкцией и параметрами дальномера HC-SR04 (рис. 1). Следует отметить, что топология печатной платы дальномера у разных производителей может отличаться.

Рис. 1. Дальномер HC-SR04

Основные технические характеристики

Напряжение питания, В . 4,8. 5,5

Максимальный потребляемый ток, мА. 15

Угол обзора, град. 15

Измеряемое расстояние, см . 2. 400

Погрешность измерения, см. 0,3

Интервал рабочих температур, о С . 0. + 60

Габаритные размеры, мм . . . .45x20x15

Назначение выводов HC-SR04: Vcc - плюсовой вывод питания; Trig - вход запускающего сигнала; Echo - выход эхо-сигнала; GND - общий "земляной" вывод.

Принцип работы дальномера HC-SR04 основан на принципе эхолокации, т. е. использует точно такую же технологию, что и летучие мыши, дельфины и некоторые другие животные для ориентации в пространстве, а именно ультразвук (УЗ). На передней части платы дальномера расположено два УЗ-преобразователя, первый - это передатчик (Transmiter) УЗ-волн (TCT40-16T), он расположен на плате слева, иногда его отмечают надписью "T", а второй - приёмник (Receiver) отражённых УЗ-волн (TCT40-16R), он установлен справа, иногда маркируется надписью "R", а в центре расположен кварцевый резонатор.

Работу дальномера HC-SR04 поясняет рис. 2. Для запуска процесса измерения на вход Trig (UTR) надо подать импульс длительностью t_TR= 10. 15 мкс. По спаду этого импульса дальномер излучает пачку из восьми УЗ зондирующих импульсов UT на частоте 40 кГц. Через небольшой промежуток времени (около 1 мкс) после окончании пачки УЗ-импульсов на выходе Echo (UEC) появится высокий логический уровень. Он сменится на низкий, когда в приёмник попадёт отражённый УЗ-сигнал UR. Таким образом, длительность импульса t_EC на выходе Echo зависит от расстояния до препятствия: L(см) = t_EС(мкс)/58. Поэтому, измерив длительность импульса t_EC и проведя несложные расчёты, можно определить это расстояние. Так обычно и происходит в устройствах, собранных на дальномере HC-SR04 и микроконтроллере (или плате семейства Arduino). По результатам измерения принимается какое-либо решение. Если отражённого УЗ-сигнала не будет или он будет ниже порога обнаружения, длительность импульса t_EC - около 38 мс. Поэтому период следования запускающих импульсов T_TR должен быть не менее 45. 50 мс.

Рис. 2. Диаграмма, поясняющая работу дальномера HC-SR04

Самые распространённые датчики движения - это ИК-датчики, которые относятся к так называемым пассивным. Их основа - пироэлектрический датчик, который реагирует на изменение ИК-излучения, попадающего на него. Если это излучение будет мало, такой датчик на перемещение объекта не реагирует. Одним из главных недостатков большинства таких датчиков является то, что они реагируют только на движение человека. Если применить такой датчик в выключателе освещения, например, на лестничной площадке, где люди постоянно перемещаются, проблем не возникает. Но если человек будет неподвижен, такой ИК-датчик перестанет реагировать и свет погаснет.

Для таких случаев более подходящим будет активный датчик, который излучает зондирующий сигнал и принимает сигнал, отражённый от объекта. Сделать такой датчик можно на основе дальномера HC-SR04. В таком устройстве не требуется измерять точное расстояние до предмета, и вполне достаточно информации о том, что он расположен на расстоянии меньше заранее установленного. Принцип работы такого сигнализатора может быть основан на том, что в дежурном состоянии на выходе дальномера HC-SR04 присутствует сигнал, параметры которого обусловлены наличием удалённых предметов или препятствий. Впрочем, отражённого сигнала может и не быть совсем. Поэтому длительность импульса t_ЕСна выходе Echo должна быть сравнительно большой. При появлении в зоне действия дальномера НС-SR04 более близко расположенных предметов длительность импульса t_EC существенно уменьшается. Это и можно использовать для построения сигнализатора присутствия. Но для этого надо каким-то образом измерить длительность импульса t_EC. В устройствах с микроконтроллерами это реализуется напрямую. Более простое решение без процедуры измерения можно реализовать на логических микросхемах.

Схема датчика присутствия показана на рис. 3. На логических элементах DD1.1 и DD1.2 собран генератор запускающих импульсов. На выходе элемента DD1.2 формируются импульсы длительностью 10. 15 мкс с периодом следования около 45 мс. Реализуется это за счёт того, что резисторы в цепи зарядки и разрядки конденсатора С2 отличаются примерно на четыре порядка. Элемент DD2.1 инвертирует сигнал с выхода Echo дальномера. На элементах DD2.2 и DD2.3 собран ждущий одновибратор образцовых импульсов, которые задают временное окно для сравнения с инвертированным сигналом с выхода Echo. Это сравнение осуществляет логический элемент DD2.4 (2И-НЕ). На элементах DD1.3 и DD1.4 собран буферный каскад, который подаёт питающее напряжение на элементы сигнализации - светодиод HL1 и акустический излучатель HA1 со встроенным генератором.

Рис. 3. Схема датчика присутствия

Диаграмма, поясняющая работу сигнализатора, показана на рис. 4. Осциллограммы в контрольных точках 1-6 в исходном состоянии показаны красным цветом. После поступления импульса запуска 1 через некоторое время на выходе Echo появляется импульс 2, длительность которого зависит от расстояния до объекта, от которого пришёл отражённый сигнал. Этот импульс инвертирует (импульс 3) элемент DD2.1. По спаду импульса 3 ждущий одновибратор формирует образцовый импульс 4, длительность которого можно изменять подстроечным резистором R3. Элемент DD2.4 сравнивает импульсы 3 и 4. В исходном (дежурном) состоянии устройства длительность импульса 3 превышает длительность импульса 4, поэтому на выходе этого элемента присутствует высокий логический уровень (сигнал 5). Конденсатор С4 через резистор R5 заряжается до того же уровня, и на выходе элементов DD1.3 и DD1.4 присутствует низкий уровень (сигнал 6), поэтому светодиод HL1 и звуковой излучатель HA1 обесточены.

Рис. 4. Диаграмма, поясняющая работу сигнализатора

При появлении в зоне контроля сигнализатора объекта, который отражает УЗ-сигналы, состояние устройства изменяется. Осциллограммы для этого случая показаны синим цветом. Во-первых, длительность импульса 2 на выходе Echo, а также импульса 3 уменьшается. Поэтому на выходе элемента DD2.4 кратковременно появится низкий уровень (импульс 5), что приведёт к быстрой разрядке через диод VD2 конденсатора С4 и появлению на выходе элементов DD1.3 и DD1.4 высокого уровня. В результате включится светодиод HL1 и начнёт работать звуковой излучатель HA1, которые и подадут сигнал о наличии какого-либо объекта в зоне контроля сигнализатора. После ухода объекта из этой зоны сигнализатор вернётся в исходное состояние. В дежурном режиме устройство потребляет ток 3,3 мА, при подаче сигнала - 7,5 мА. Для его питания надо применить стабилизированный источник.

Все элементы сигнализатора размещены на односторонней печатной плате из стеклотекстолита толщиной 1. 1,5 мм, её чертёж показан на рис. 5, а смонтированная плата - на рис. 6. Применены постоянные резисторы С2-23, Р1-4, МЛТ (R1 в данном случае составлен из двух соединённых последовательно резисторов КВИ по 5,1 МОм), подстроечный - СП3-19, оксидные конденсаторы - К50-35 и импортные, остальные - плёночные или керамические (С2 должен быть с малым током утечки). Диоды - любые маломощные импульсные, светодиод - маломощный любого свечения, можно применить мигающий с напряжением питания 5 В, в этом случае резистор R6 заменяют проволочной перемычкой. Звуковой излучатель - со встроенным генератором, обеспечивающий достаточную громкость при напряжении 5 В. Дальномер HC-SR04 можно впаять в плату либо применить для его подключения гнёзда из серии PSB, например, отрезав четыре штуки от гнезда PSB-10 (DS1023-1x10). Второй вариант, конечно, предпочтительней, поскольку позволяет оперативно заменять дальномеры и тем самым проверять их работоспособность и сравнивать их между собой.

Рис. 5. Чертёж печатной платы сигнализатора

Рис. 6. Смонтированная плата устройства

Налаживание сводится к проверке надёжного запуска дальномера HC-SR04, при необходимости для этого следует подобрать конденсатор С2. Дальность обнаружения устанавливают подстроечным резистором R3.

В сигнализаторе, описание которого приведено выше, реализован метод контроля длительности импульса на выходе Echo дальномера. Но импульсы на этом выходе относительно просто преобразовать в постоянное напряжение и уже затем использовать его для проведения измерений или управления другими элементами. Дело в том, что дальномер работает постоянно, и на выходе Echo дальномера HC-SR04 присутствует не отдельный импульс, а их последовательность. Если такую последовательность подать на вход интегрирующей RC-цепи, на её выходе будет напряжение ивых, пропорциональное амплитуде Uп и скважности Q импульсов: Uвых = Uп/Q, где Q = T_TR/t_EC. На практике это означает, что с приближением объекта постоянное напряжение на выходе интегрирующей RC-цепи уменьшается.

Схема второго варианта датчика присутствия показана на рис. 7. Формирователь запускающих импульсов здесь реализован по несколько иному принципу, он собран на логических элементах микросхемы DD1. На элементах DD1.1 и DD1.2 собран RC-генератор импульсов с частотой следования около 60 мс. Эти импульсы напрямую поступают на первый вход (вывод 12) элемента DD1.3, а на второй - через дифференцирующую RC-цепь C3R4, в результате на его выходе формируются запускающие импульсы, которые инвертирует элемент DD1.4, после чего они поступают на вход Trig дальномера HC-SR04. Формирователь запускающих импульсов в этой конструкции собран на большем числе элементов, чем в предыдущем устройстве, но зато не содержит высокоомных резисторов.

Рис. 7. Схема второго варианта датчика присутствия

Выходные импульсы дальномера HC-SR04 поступают на интегрирующую RC-цепь R2C4, постоянное напряжение на выходе которой зависит от расстояния до объекта. Это напряжение подаётся на инвертирующий вход ОУ DA2, который работает как компаратор. На его неинвертирующий вход поступает образцовое напряжение с делителя напряжения R3R5. Если объект находится за пределами зоны контроля сигнализатора, напряжение на выходе интегрирующей цепи превышает образцовое и на выходе ОУ будет напряжение, близкое к нулю. Поэтому включён светодиод HL1 зелёного свечения, сигнализирующий о работе устройства. Светодиод HL2 красного свечения и акустический сигнализатор со встроенным генератором обесточены.

При появлении в зоне контроля объекта напряжение на инвертирующем входе ОУ уменьшается и на его выходе появляется напряжение примерно на 1,5 В меньше питающего. В результате светодиод HL1 гаснет, включаются светодиод HL2 и акустический излучатель HA1, которые и подадут сигнал.

Длительность запускающего импульса можно изменить подборкой конденсатора С3. Дальность срабатывания сигнализатора устанавливают подстроечным резистором R5. Чтобы ввести гистерезис и сделать переключение сигнализатора более чётким, следует ввести резистор R8, который обеспечивает положительную обратную связь. Этот резистор можно установить со стороны печатных проводников.

Чтобы сделать питание сигнализатора более универсальным, например, питать его от батареи "Крона" или блока питания с выходным напряжением 7. 12 В, в устройство введён интегральный стабилизатор DA1, который стабилизирует напряжение питания дальномера HC-SR04 и цифровой микросхемы. В дежурном режиме потребляемый ток - 8 мА, при подаче сигнала - 13 мА.

Чертёж односторонней платы сигнализатора, изготовленной из стеклотекстолита толщиной 1. 1,5 мм, показан на рис. 8, а смонтированная плата - на рис. 9. В этом сигнализаторе можно применить аналогичные детали.

Рис. 8. Чертёж односторонней платы сигнализатора

Рис. 9. Смонтрованная плата устройства

Эти сигнализаторы присутствия можно применить в моделях автомобилей или других подвижных объектах для исключения столкновения с препятствиями, а также в различных устройствах домашней автоматики.

Чертежи печатных плат в формате Sprint-Layout имеются здесь.

Автор: И. Нечаев, г. Москва

Принцип действия

Датчик работает на явлении отражения ультразвуковой волны от границы жидкой и газовой сред. Прибор излучает звуковые колебания частотой более 20000 герц, принимает эхо и измеряет время прохождения сигнала. Расстояние до границы сред рассчитывается по формуле: R= tV/2, где t – время от начала излучения до приема эха, V — скорость звука. Необходимо делить на 2, потому что звуковые волны проходят двойную дистанцию между поверхностью жидкости и излучателем.

Скорость звука в воздухе — 331 м/сек. При изменении температуры этот показатель также меняется. Поэтому ультразвуковые сенсоры уровня имеют в конструкции термометр, показатели которого учитывается электронной схемой прибора при расчете значения уровня жидкости.

Описание и назначение

Ультразвуковой уровнемер жидкости — прибор для бесконтактного автоматического дистанционного измерения уровня жидких сред. Основные элементы конструкции сенсора: ультразвуковой излучатель и приемник отраженной звуковой волны.

Излучатель

В измерителях уровня используются пьезоэлектрический эффект – изменение линейных размеров диэлектрика в зависимости от частоты переменного электрического поля, в которое помещен. В излучателе пьезоэлемент передает колебания мембране, которая при частоте более 20000 герц начинает излучать ультразвук.

простота конструкции;
получение ультразвуковых колебаний значительного диапазона;
компактность.

Приемник

Пьезоэлектрический эффект обратим: попадающие на мембрану отраженные акустические колебания вызывают образование в пьезоэлементе электрического тока. На этом принципе работают приемники ультразвукового излучения в уровнемерах: при получении отраженного сигнала в цепи прибора образуется электрический ток.

Применение пьезоэлектрической схемы позволило создать измеритель уровня жидкости, в которых излучатель и приемник — единый элемент. Это упрощает и удешевляет конструкцию прибора, его монтаж и обслуживание.

Типы ультразвуковых датчиков уровня жидкости, работающих на принципе эхолокации:

Сигнализаторы контрольных точек уровня

Прибор настраивается на два значения: минимальный уровень жидкости и максимальный. Если время прохождения отраженного сигнала соответствует минимальному заданному уровню жидкости, электронный блок формирует сигнал в соответствии с заданной программой. Это может быть включение сигнальной лампочки и звуковой сигнализации, команда насосам на отключение и т.п. Тот же алгоритм используется при достижении максимального уровня жидкости.

Датчики непрерывного мониторинга уровня

Измерители данного типа постоянно измеряют расстояния до уровня жидкости. Преобразует полученные данные в аналоговый сигнал и транслирует его в соответствии с заданной программой на собственный дисплей, центральный пульт управления и т.п. Могут быть запрограммированы события при предельных значениях уровня жидкости, как в сигнализаторах.

Датчики непрерывного мониторинга отличаются от сигнализаторов дополнительными возможностями: измеряют температуру жидкости, ее плотность, информируют об изменении агрегатного состояния и др.

Ультразвуковые бесконтактные сенсоры применяются на производствах, в которых получение, хранение и перевозка жидкостей, в том числе агрессивных – часть технологического процесса:

химическая, газовая и нефтеперерабатывающая промышленность;
водоснабжение и очистка воды;
сельское хозяйство;
металлургическая промышленность;
пищевая промышленность.

предотвращение переполнения и опустошения емкостей с жидкостью и возникновения связанных с этим аварийных ситуаций;
включение в цепочку телеметрического управления системами и агрегатами в качестве измерительных элементов;
мониторинг изменений физических и химических свойств жидких веществ в емкостях.

Преимущества и недостатки

Преимущества ультразвуковых уровнемеров:

производство измерений без непосредственного контакта с жидкой средой, что позволяет работать с агрессивными жидкостями. К приборам не предъявляются повышенные требования к защищенности от негативных факторов внешней среды;
возможность измерения уровня без проникновения внутрь емкости, размещая датчик снаружи;
цена ниже другого типа бесконтактных сенсоров — радарных датчиков, вследствие более простой конструкции и менее дорогих комплектующих;
отражение ультразвука происходит от границы жидкости и газа, поэтому точность измерения не зависит от плотности жидкой среды, ее химических и физических свойств;
компактность;
мультисенсорность. Датчик служит для получения дополнительной информации о состоянии жидкости и емкости. Зависит от конкретной модели прибора.

Недостатки сенсоров уровня жидкости:

ошибочные данные из-за отражения ультразвуковых сигналов от конструктивных элементов емкости. Необходимо на стадии монтажа прибора не допускать нахождения элементов конструкции во фронтальной плоскости датчика. В узких баках ультразвуковые датчики не применяются;
показания прибора будут ошибочными при давлении газовой среды, большем или меньшем атмосферного. В вакууме прибор работать не будет. В подобных случаях необходимы сенсоры, использующие другие физические принципы;
зависимость точности измерений от температуры и состава газовой среды, ее влажности, загрязненности, запыленности;
искажения результатов измерений при образовании на поверхности жидкости пены либо турбулентных завихрений.

Как подобрать нужный

При выборе ультразвукового измерителя уровня необходимо учитывать:

свойства жидкости;
материал, из которого изготовлен резервуар, его влияние на точность измерений;
используемую схему обработки измерительной информации;
оснащение сенсора дисплеем для отображения данных и изменения настроек;
наличие сертификатов;
влияние перепадов температуры и иных внешних факторов на точность измерения;
материал, из которого устройство выполнено.

Вещества

Большое преимущество ультразвуковых датчиков уровня – точность измерения не зависит от физико-химических свойств жидкости: плотности, химической активности, электропроводимости и др. Прибор будет работать с водой, с молоком, с серной кислотой, нефтью. Однако в некоторых случаях они не применяются:

для контроля уровня кипящих жидкостей. Образующиеся при кипении воздушные пузыри имеют отличные от жидкости параметры отражения акустических волн – результаты измерений искажается;
при образовании на поверхности жидкости пены, которая рассеивает и поглощает ультразвуковой сигнал;
при контроле жидкостей, требующих постоянного перемешивания. Образующиеся при этом кавитация и вихреобразные воронки искажают отраженный сигнал, и точность измерений снижается.

Материал резервуара

Материал резервуара, внутри которого установлен акустический датчик, не влияет на точность измерений прибора. Наиболее сильный отраженный сигнал приходит от границы сред, а вторичное эхо от стен емкости слабое и откалиброванным прибором не улавливается.

Когда в силу технологических факторов, соблюдения мер безопасности и т. д., датчик внутрь емкости установить нельзя, для измерения уровня жидкости используется метод многократного отражения звуковых колебаний от внутренних стенок. Метод подразумевает установку сенсора снаружи. Измерения возможны, если резервуар изготовлен из металла, стекловолокна, стекла, пластика. Эти материалы хорошо отражают ультразвук, поэтому измерение уровня будет точным.

Многие сорта пластмасс, пористая резина и т. п. имеют близкие к жидкостям характеристики отражения ультразвуковых сигналов.

Если емкость изготовлена из этих материалов, применять наружный акустический датчик уровня жидкости нельзя, так как результаты измерений будут некорректными.

Схема обработки сигнала

Получаемый от датчика сигнал обрабатывается несколькими способами:

Используется встроенный электронный блок для обработки данных, получаемых при измерениях. Информация отображается в цифровом или графическом виде на дисплее. Схема не предусматривает включение прибора в телеметрическую цепь управления и предназначена для информирования оператора об уровне жидкости в обследуемом резервуаре. Используется в переносных ультразвуковых уровнемерах для мониторинга жидкостей в герметичных емкостях.
Полученный аналоговый сигнал преобразуется в цифровой прибором или дополнительным оборудованием. Получаемый сигнал передается на централизованный пульт управления. Прибор включается в единую сеть автоматического управления;
Сигнализаторов контрольных точек используется как реле. При достижении жидкостью минимального запрограммированного уровня, датчик формирует сигнал, который в соответствии с заданной программой включает световую и звуковую сигнализацию, насос и т. п. Когда жидкость поднимется до следующей контрольной точки, датчик формирует команду на отключение сигнализации или насоса.

Наличие дисплея в комплектации

ЖК- дисплей отображает информацию о проводимых датчиком измерениях в реальном времени. Распространены 2 типа:

цифровой. Отображает цифровые значения измерений и простые статические графические изображения;
графический. Строит динамические графические изображения.

На дисплее отображается изменение уровня жидкости в виде динамической пиктограммы емкости. На экран выводится другая информация, получаемая сенсором: температура жидкости и газовой среды, давление, плотность и т.д.

С дисплеем удобно перепрограммировать прибор: последовательность шагов отображается на экране, подсвечиваются ошибки, выводится информация об успешном завершении процесса.

Промышленные образцы редко комплектуются дисплеями, так как рассчитаны на включение в единую систему управления.

Сертификаты на продукцию

Сертификация ультразвукового измерителя уровня – процедура, подтверждающая его соответствие определенным стандартам, подтверждаемая выдаваемыми свидетельствами:

Реакция датчиков уровня на перепады температуры

Скорость звука в воздухе растет с увеличением температуры. Для устранения ошибок в измерениях промышленные уровнемеры снабжаются термодатчиком. Показатели температуры учитываются микропроцессором сенсора при расчете скорости прохождения ультразвуковых волн.

Формула зависимости скорости звука в воздухе от температуры, полученная опытным путем:

где С – скорость звука при измеренной температуре, С0 – скорость звука при температуре 0С°, t° — температура, измеренная термодатчиком, 0,59 – коэффициент, полученный на основании опытных измерений.

Если в сенсоре не предусмотрена автоматическая корректировка результатов измерений в зависимости от температуры, она проводиться вручную при каждом значительном перепаде температуры. В противном случае прибор будет показывать неправильные значения уровня жидкости.

Влияние внешних факторов на работу

Кроме температуры газовой среды над жидкостью, на точность работы датчика влияют внешние факторы:

давление газовой среды. При его изменении скорость меняется, и датчик показывает неправильные значения;
сильная запыленность может нарушить работу измерителя;
из-за высокой влажности меняется скорость прохождения звуковых волн. Прибор покажет некорректные данные.

Расчет необходимых поправок в работу датчика – сложная задача. Над поверхностью жидкости создается газовая среда, насыщенная парами жидкости. Его физические свойства отличаются от характеристик атмосферного воздуха, который служил эталоном для калибровки приборов.

Для упрощения задачи часто применяются реперы – отражающие элементы, расположенные на строго фиксированных расстояниях от излучателя. Засекая время прохождения сигнала до репера и обратно, высчитывается скорость звука в газовой среде. Это значение используется для расчета уровня жидкости.

Наличие реперов усложняет и удорожает монтаж и эксплуатацию датчиков уровня.

Материал исполнения устройства

Датчики работают в условиях агрессивной среды: повышенная влажность, пары химически активных веществ, повышенное давление. Для безотказной работы корпусы датчиков изготовлены из алюминиевых сплавом или специальных, химически стойких пластмасс. Для пожаро и взрывозащищенности и предотвращения агрессивного воздействия испарений электрические схемы и корпус приборов заливаются компаундом. В результате датчик уровня жидкости может длительное время работать без обслуживания.

Как изготовить своими руками

Для создания простейшего измерителя уровня понадобится ультразвуковой модуль HC-SR04 и микроконтроллер 8051. Устройство позволяет контролировать уровень жидкости в резервуаре глубиной до 2 метров. Для работы устройства нужно изолировать НС-SR04 от попадания влаги.

HC-SR04 устанавливается в верхней части резервуара, излучателем в сторону жидкости. Ультразвуковые колебания, излучаемые модулем, отражаются от поверхности воды. Приемник принимает эхо-сигнал, высчитывает задержку времени и передает сформированный сигнал о результатах измерений микроконтроллеру.

Микроконтроллер считывает сигнал и вычисляет расстояние.

При введении необходимой программы микроконтроллер будет включать насос, когда уровень воды опустится до минимального заданного значения, и выключать его при достижении максимального уровня.

Особенности применения

Использование ультразвуковых измерителей имеет ряд особенностей. Например, для устранения ошибок измерений необходимо следовать алгоритму:

проводить и калибровку прибора при изменении состава газовой среды для установления фактической скорости звука;
проводить калибровку при каждом существенном изменении температуры, записывая значения скорости;
в дальнейшей работе прибора при перепадах температуры калибровку не проводить, а пользоваться ранее записанными показателями скорости.

Процесс настройки сенсора достаточно трудоемок. Возможна ситуация, когда изменения газовой среды в резервуаре не связаны с изменением температуры. В данном случае придется повторно проводить калибровку прибора.

Ультразвуковой дальномер рассчитан на определение расстояния до объектов в радиусе четырёх метров.

Работа модуля основана на принципе эхолокации. Модуль посылает ультразвуковой сигнал и принимает его отражение от объекта. Измерив время между отправкой и получением импульса, не сложно вычислить расстояние до препятствия.

Подключение ультразвукового дальномера к Arduino

Модуль подключается четырьмя проводами. Контакты VCC и GND служат для подключения питания, а Trig и Echo — для отправки и приема сигналов дальномера. Подключим их к пинам 10 и 11 соответственно.

Напряжение питания дальномера 5 В. Модуль работает и с платами, напряжение которых 3,3 В — в этом случае подключайте его к пинам группы с P8 по P13. Установите джампер выбора питания V2 на Troyka Shield в положение V2+5V. Пин микроконтроллера, соединённый с пином Echo должен быть толерантен к 5 В. Приведённая схема подходит для подключения дальномера к Iskra JS.

Пример работы

Рассмотрим как работает дальномер.

Для того чтобы инициализировать отправку сигнала дальномером, необходимо подать высокий сигнал длительностью 10 μs на пин Trig .

После получения высокого сигнала длительностью 10 μs на пин Trig , модуль генерирует пучок из восьми сигналов частотой 40 кГц и устанавливает высокий уровень на пине Echo .

Зная продолжительность высокого сигнала на пине Echo можем вычислить расстояние, умножив время, которое потратил звуковой импульс, прежде чем вернулся к модулю, на скорость распространения звука в воздухе (340 м/с).

Функция pulseIn позволяет узнать длительность импульса в μs . Запишем результат работы этой функции в переменную duration.

Теперь вычислим расстояние переведя скорость из м/с в см/мкс:

distance = duration * 340 м/с = duration * 0.034 м/мкс

Преобразуем десятичную дробь в обыкновенную

distance = duration * 1/29 = duration / 29

Принимая во внимание то, что звук преодолел расстояние до объекта и обратно, поделим полученный результат на 2

distance = duration / 58

Оформим в код всё вышесказанное и выведем результат в Serial Monitor

Работа с библиотекой

Количество строк кода можно существенно уменьшить, используя библиотеку для работы с дальномером.

Большинство ультразвуковых передатчиков и приемников построены на базе таймера IC 555 или дополнительных металлоксидно-полупроводниковых (CMOS) устройств. Эти устройства представляют собой предварительно управляемые переменные генераторы. Предустановленное значение рабочей частоты может сместиться из-за механических колебаний или колебаний температуры. Этот сдвиг частоты влияет на дальность передачи от ультразвукового преобразователя. Описанные здесь схемы ультразвукового передатчика и приемника используют ИС десятилетнего счетчика CD4017 .

Схема ультразвукового передатчика

Схема передатчика (рис. 1) построена вокруг двух десятилетних ИС счетчиков CD4017 (IC1 и IC2), триггера ИС D-типа CD4013 (IC3) и нескольких дискретных компонентов. Устройство генерирует стабильные сигналы 40 кГц, которые передаются от преобразователя TX.

Рис.1: Схема ультразвукового передатчика Кристаллический радиочастотный (РЧ) генератор, построенный вокруг транзистора T 1 (BC549), генерирует сигнал 8 МГц, который служит входом для счетчика первого десятилетия, построенного вокруг IC1. Счетчик декад делит частоту генератора на 800 кГц. Выходной сигнал IC1 подается на второй десятилетний счетчик CD4017 (IC2), который дополнительно делит частоту до 80 кГц. Триггер (IC3) делит сигнал 80 кГц на 2, чтобы получить сигнал 40 кГц, который передается ультразвуковым преобразователем TX. Катушка L изготовлена из эмалированной медной проволоки 36SWG, которая намотана 15 раз вокруг пластикового формирователя диаметром 8 мм, используемого для радиогенераторов, который имеет ферритовый шарик. Схема передатчика работает от 9-12 В постоянного тока.

Схема ультразвукового приемника

Схема приемника (рис.2) построена вокруг счетчика CD4017 (IC4) одного десятилетия и нескольких дискретных компонентов. Чтобы проверить работу передатчика, необходимо преобразовать сигнал 40 кГц в 4 кГц, чтобы вывести его в звуковой диапазон. При использовании приемника ультразвуковой передатчик 40 кГц можно быстро протестировать. Блок приемника (RX) находится рядом с тестируемым ультразвуковым передатчиком. Он обнаруживает передаваемый сигнал 40 кГц, который усиливается усилителем, встроенным в транзистор BC549 (T2). Усиленный сигнал поступает на декадный счетчик IC4, который делит частоту на 4 кГц. Транзистор T3 (SL100) усиливает сигнал 4 кГц для управления динамиком.

Рис. 2: Схема ультразвукового приемника. Для питания приемника используйте батарею PP3 9 В. Разместите цепи передатчика и приемника в отдельных небольших шкафах. Если тестируемый преобразователь 40 кГц работает, схема приемника издает слышимый свистящий звук.

Использование ультразвука. Схема,

Варианты ультразвуковой охранной сигнализации

Подобное устройство способно обеспечить весьма высокий уровень надежности. Ведь любое снижение уровня сигнала от передатчика или паже прекращение его работы вообще будет расцениваться цепями приемника как опасность. Вышеприведенные примеры могут возникнуть просто при выводе передатчика из строя.

В нижней части рисунка изображено другое эффективное расположение приемника и передатчика. В этом случае ультразвук отражается от отнесенного на расстояние твердого предмета и поступает на приемник. Сигнал, излучаемый передатчиком, должен быть достаточно мощным. Естественно, всякий объект, вставший на пути звука, вызовет сигнал тревоги.

Возможен другой путь работы устройства. В этом случае звук достигает приемника, только отразившись от грабителя, находящегося поблизости от передатчика и приемника.

Все описанные способы хороши, так что выбирайте один из них, который лучше всего подходит к вашим условиям. Ультразвуковой сторож с раздельными приемником и передатчиком

На рис.1 приведена принципиальная схема ультразвукового передатчика.

Основой ее является таймер типа 555, а рабочую частоту определяют номиналы резисторов R1 и R4 и конденсатора С1.

Схема ультразвукового передатчика.

Передатчик собирают на плате из изоляционного материала и помещают в металлический или пластмассовый корпус. При монтаже соблюдайте аккуратность, а в целом схема некритична к расположению деталей, и конструкцию подберите по своему усмотрению. Поскольку деталей в передатчике немного, неплохо было бы и плату, и излучатель расположить в одном корпусе. К тому же длинные соединительные провода, идущие к излучателю, отрицательно влияют на работу схемы. Но если все равно не удастся обойтись без проводов, делайте их не больше 15 см длиной.

Схема приемника приведена на рис.2.

Транзисторы Q1, Q2 и Q3 образуют общеизвестный трехкаскадный усилитель, в задачу которого входит увеличение уровня принятого сигнала до значения, когда его можно будет продетектировать, а полученным постоянным напряжением перевести транзистор Q4 в открытое состояние. Общее усиление схемы регулируется переменным резистором R13, включенным в цепь эмиттера транзистора Q3. С коллектора этого транзистора сигнал поступает на выпрямитель с удвоением напряжения. Постоянное напряжение, выделяющееся на конденсаторе С5, создает смещение на базе транзистора Q4 через резистор R12. Сборка приемника ничем практически не отличается от сборки передатчика. Как и там, провода, соединяющие ультразвуковой датчик со схемой, должны быть по возможности короткими. Готовую плату поместите в металлический или пластмассовый корпус.

Введение устройства в работу

Если следовать изображению в верхней части рис. 3.20, первым шагом по проверке работы схемы должно быть определение, насколько далеко можно разнести приемник и передатчик. Выберите место, где отсутствуют воздушные потоки. Излучатель передатчика разместите на высоте 1 м над полом, направив его в открытое пространство. Подайте питание от временного источника на приемник. Установите резистор R13 в положение наименьшего сопротивления, что будет соответствовать максимальному усилению. Подключите вольтметр постоянного напряжения к зажимам Лив. Если амплитуда ультразвуковых волн достаточно высока, вольтметр будет показывать напряжение, почти равное напряжению питания. Медленно отходите с приемником от излучателя передатчика. С какого-то места показания вольтметра начнут прыгать, иногда даже падая до нуля. После этого сократите расстояние на 30-60 см, еще раз убедившись, что устройство работает надежно.

При установке ультразвуковой сигнализации следует соблюдать несколько четких установок.

1. Не размешайте ее в зоне, где работает кондиционер в режиме нагнетания воздуха. Иначе сигнализация будет срабатывать всякий раз при его переключении.
2. Не оставляйте поблизости никаких предметов, которые могут из-за сквозняка попасть в луч передатчика.
3. Не пытайтесь использовать систему на улице или в помещении, где постоянно открываются окна и двери.
4. Если звери или птицы — постоянные обитатели той территории, где вы собираетесь применить такую сигнализацию, то здесь она неприемлема.

Как уже говорилось выше, можно так расположить передатчик и приемник, что последний будет воспринимать звук, отраженный от какой-либо твердой поверхности. Это может быть стека или дверь. Одежда человека плохо отражает и, наоборот, хорошо поглощает ультразвук. Когда кто-либо пересечет один из лучей, сигнализация сработает. Если под охраной находилась дверь, то устройство среагирует, когда ее откроют.

Схема следующего ультразвукового сторожа показана на рис.1. Схема необычна тем, что на базе одной микросхемы в ней собран генератор передатчика и что она же работает как избирательный приемник отраженного сигнала. Для этого используется микросхема 567, вмещающая в себя источник сигнала и его приемник.

Рис.1. Схема приемопередатчика

Познакомимся поближе с тем, как функционирует схема, выполняющая двойную работу. Волны воспринимаются пьезокерамическим датчиком, после чего усиленные каскадом на транзисторе Q2 они поступают на вывод 3 микросхемы, причем частоте сигнала получается в точности равной той, что генерирует сама микросхема. В отличие от ранее описанного устройства в этой ситуации уже не важно, насколько частота может отклониться от первоначально установленной.

Рабочая частота определяется номиналами цепочки резисторов R3 и R6 и емкости конденсатора C3. Регулируется она переменным резистором R6. При заданных номиналах деталей она может варьироваться в пределах от 8 до 25 кГц, а в конечном счете определяется применяемыми пьезодатчиками. С вывода 5 микросхемы сигнал прямоугольной формы поступает на базу транзистора Q1, включенного по схеме с общим коллектором. В качестве нагрузки этого транзистора включена цепочка из резистора R5 и низкоомного динамика. Когда на вход схемы поступает достаточный по амплитуде сигнал, светодиод горит, а клеммы А и В представляют собой нормально замкнутые контакты. В случае, когда амплитуда сигнала понижается или он совсем отсутствует, выход схемы переходит в разомкнутое состояние. В остальном это устройство может быть использовано по любой конфигурации из предложенных на рис. 3.20. Откровенно говоря, схема лучше работает на высоких звуковых частотах, чем на ультразвуковых.

В комплекте с двумя предложенными преобразователями схема очень хорошо работает на частоте 12 кГц. И не страшно, что она слышна. Ведь едва ли кто-либо отважится с ней поспорить. Да и мыши, судя по всему, предпочтут какое-нибудь другое место, чем это.

Детали схемы монтируются на плате из изоляционного материала, и, поскольку их не так много, плотность монтажа не сказывается на ее функционировании. В данной конструкции не требуется размещать пьезодатчик и излучатель поблизости от самой схемы. Но тогда для каждого преобразователя желательно использовать экранированные провода. Этим вы избежите возникновения связи напрямую между выходом и входом схемы.

Ввод устройства в эксплуатацию. Проверив правильность монтажа, подключите питание схемы. Это может быть источник напряжением 6-9 В. Ползунок резистора R6 установите в среднее положение, при этом вы должны слышать писк высокого тона. Установите излучатель на столе или другой подставке так, чтобы перед ним было свободное пространство в 3 м. Держа пьезодатчик в руках, «направьте его на излучатель. Светодиод при этом должен загореться. Отходя с пьезодатчиком от излучателя, заметьте то место, где светодиод погаснет. Это означает, что вы нашли точку максимальной чувствительности.

Укажем места, где удобно расположить такую сигнализацию:

— через помещение;
— на выходе;
— напротив напольного, настенного сейфа или дорогой картины;
— на проходе на чердак или в полуподвал;
— в любом другом месте, где может пройти грабитель.

2 комментария

Мосты microUSB — UART соединены таким образом, чтобы обеспечить связь с Arduino. Существует также еще один отдельный проводной мост между Arduino и интерфейсом.

Эти схемы предназначены для сопряжения передатчика / приемника и обеспечения беспроводного соединения для передачи данных. Схемы для этих этапов представлены в виде принципиальной схемы, но хорошо было бы посмотреть готовую разработку с работающей моделью.

Читайте также: