Medidor de Distancia Ultrasónico

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Medidor de Distancia Ultrasónico
Dispositivo: UCM-R40K1
Par sensor ultrasónico Tx, Rx.
Nota de Aplicación 001
Documentos Asociados:
Ensamblando mdu.asm
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.
Tabla 1. Características del sensor UCM - R40K1.
Características
UCM-R40K1
Frecuencia de
resonancia:
Nivel de Presión Sonora:
Sensitividad:
Máxima entrada de
voltaje :
Directividad típica:
40KHz
115dB<
-64dB<
20Vrms
55º
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
receptor, marcados con T y R. En la figura 1
muestra físicamente el este sensor tanto
transmisor como el receptor. En la figura 2
observa la estructura interna de este sensor.
al
se
el
se
Fig. 2. Esquema del UCM-R40K1.
3. MEDIDOR
DE
ULTRASÓNICO.
DISTANCIA
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.
Fig. 1. Sensor Ultrasónico UCM-R40K1.
Transmisor y Receptor.
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Tabla 1. Características del circuito medidor de
distancia.
Características
Tipo de Sensor
Frecuencia
Distancia mínima
Distancia máxima
Resolución
Sensibilidad
Tensión de entrada
Consumo de corriente
MDU
Ultrasónico de
reflexión
40KHz
25cm
200cm
1 cm
Detecta un objeto de
diámetro 8cm a < 1m
9V
60mA tip.
Fig. 4. Medición de distancia por ultrasonido.
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 UCMR40K1/Tx, con duración de 5 mS cada 65 mS. Al
detectar la onda reflejada, con el UCMR40K1/Rx, genera una interrupción la cual
detiene un timer de 16 bits como se indica en la
figura 5.
Fig. 3. Circuito Medidor de Distancia.
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.
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Fig. 5. Técnica para medir distancia.
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.
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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.
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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.
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.
Fig. 8. Circuito de detección (demodulación).
El voltaje de comparación queda establecido por
los valores de las resistencias Ra y Rb de acuerdo
a la siguiente ecuación:
V ref =
Vcc( Rb )
Vcc(47 x10 3 )
=
= 0.045Vcc
R a + Rb 1x10 6 + 47 x10 3
El voltaje de salida del comparador alimenta a un
circuito divisor de voltaje que componen R10 y
R11,
Fig. 6. Diagrama del circuito transmisor.
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.
VO = V11 =
R11 (Vcomp )
R1o + R11
=
5.6 x10 3 (Vcomp )
5.6 x10 3 + 4.7 x10 3
=
= 0.543Vcomp
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. 7. Diagrama del circuito Receptor.
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Fig.10. Separación de sensores
Para aplicaciones en donde se requiere medir
distancias pequeñas la distancia de separación
óptima es de 3.5cm considerando los ejes de los
sensores.
Fig. 9. Circuito de Retención.
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:
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
ƒ
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.
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.
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Fig. 13. Ajuste a 1m de distancia
Fig. 11. Rutina de retardo para ráfaga de 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.
Fig. 12. Rutina de tiempo de resguardo de 1ms.
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).
Fig. 14. Medición afectada por ángulo de
reflexión.
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.
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Fig. 15. Formas de onda en puntos principales
del medidor de distancia.
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AG Electrónica S.A. de C.V.
División de Ingeniería
Republica del Salvador N.20 Desp. 501
Col. Centro México D.F. C.P. 06000
Tel. (55) 5130-7210
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Referencias.
Documentos.
Renesas, AN0403006/Rev.1.00
Páginas Web.
http://www.interq.or.jp/japan/seinoue/e_pic6_6.htm
Autor:
Ing. Javier Zamudio Bautista
http://www.nicera.co.jp
Actualización.
Daniel Bastian Luna
UAM Azcapotzalco
Primera revisión: 13/Mayo/2006 Rev. A.
Segunda revisión: 7/Julio/2008 Rev. B.
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