فاصله سنج آلتراسونیک بدون ماژول آماده

فاصله سنج با استفاده از سنسورهای آلتراسونیک و نمایشگر LCD

تعریف:

می­خواهیم با استفاده از سنسورهای آلتراسونیک با فرکانس کاری 40KHz  و نمایشگر LCD دستگاه اندازه­ گیری فاصله با دقت یک سانتیمتر و حداقل فاصله اندازه ­گیری 10 سانتیمتر و حداکثر 4 متر طراحی نمائیم، بطوری که تغییر دما در اندازه ­گیری دستگاه تاثیری نداشته باشد. شاید افرادی بگویند خوب این چه کاریست وقتی ماژول آماده برای اینکار در بازار موجود است در جواب این دوستان باید بگویم در سال 1386 که این مدار طراحی شده و آن زمان ماژول آماده در بازار موجود نبود و اکنون یاد گرفتن نحوه کار سنسورها خالی از لطف نیست و با دانستن این مطالب خودتان می توانید ماژول فاصله سنج تولید کنید.

اهداف:

هدف از اجرای این پروژه آشنایی با سنسورهای آلتراسونیک و طریقه اندازه­ گیری فاصله­ های کوتاه با این نوع سنسورها با استفاده از فرمول X=VT و همچنین تاثیر دما در سرعت صوت که نهایتاً باعث خطای اندازه ­گیری خواهد شد، تعیین می­گردد.

طراحی:

سنسورهای آلتراسونیک به صورت دو بسته مجزای گیرنده و فرستنده موجود می باشند. این دو سنسور به صورت یک بسته واحد نیز وجود دارد. فرکانس رزونانس این سنسور 40 کیلو هرتز می باشد. یعنی در فرکانس 40KHz دارای حداکثر توان می­باشد. به شماتیک درونی این سنسور در شکل زیر توجه کنید.

برای طراحی این پروژه باید یک اسیلوسکوپ خوب در اختیار داشته باشیم تا بتوانیم مدار اسیلاتور تولید امواج 40KHz و گیرنده امواج آلتراسونیک را طراحی کرده و شکل سیگنالهای تولید شده و برگشتی را براحتی ببینیم و مقایسه کنیم. بدون استفاده از اسیلوسکوپ اجرای این پروژه کمی سخت خواهد بود. در ابتدا برای اینکه از سالم بودن سنسورها مطمئن شویم. سیگنال ژنراتور را بر روی 40KHz تنظیم کرده و خروجی آن را به سنسور فرستنده که روی آن با حرف T مشخص شده وصل می­کنیم. سپس سنسور گیرنده را که با حرف R مشخص شده به دو سر پروب اسیلوسکوپ می­بندیم. اگر سنسور فرستنده روبروی سنسور گیرنده قرار گیرد باید امواج آلتراسونیک توسط گیرنده دریافت شده و بتوانیم روی اسیلوسکوپ مشاهده کنیم با تغییر جزئی فرکانس سیگنال ژنراتور متوجه خواهید شد که این نوع سنسورها فقط با فرکانسی که روی آنها نوشته شده کار می­کنند اگر فرکانس سیگنال ژنراتور را از مقدار 40KHz کمی پایینتر یا بالاتر ببرید دامنه موج دریافتی به شدت کاهش خواهد یافت. و فقط در فرکانس 40KHz بیشترین دامنه را خواهیم داشت. همچنین اگر فرکانس از نوع مربعی باشد قدرت فرستنده بیشتر خواهد بود. ولی اگر دقت کنید امواج دریافتی شکل شبیه سینوسی به خود می­گیرند.

حال بجای سیگنال ژنراتور می­توانیم امواج 40KHz را به وسیله میکروکنترلر ایجاد کرده و پس از تقویت دامنه وارد سنسور کنیم. با اجرای برنامه زیر این کار انجام خواهد شد:

$crystal=8000000

Config Portc.4 = Output

Do

For I = 1 To 10

Toggle Portc.4

Waitus 10

Next

Waitms 20

Loop

End

اگر به برنامه بالا توجه کنید با استفاده از حلقه For Next فقط 4 یا 5 سیکل فرکانس 40KHz را تولید می­کنیم. زیرا اگر بطور دائم امواج آلتراسونیک توسط فرستنده در محیط پخش شود از هر طرف اتاق یا مکانی که هستیم امواج برگشتی خواهیم داشت و گیرنده این امواج را بصورت دائم دریافت خواهد کرد و نخواهیم توانست فاصله را بسنجیم.

در این برنامه ما به اندازه مثلا 5 سیکل امواج را تولید کرده و سپس به مدت 20ms منتظر دریافت آنها توسط گیرنده خواهیم شد. در صورت دریافت نشدن، دوباره امواج تولید خواهد شد. به محض دریافت امواج وقفه خارجی صفر فعال می­گردد.

روش تشخیص فاصله به این صورت خواهد بود که بلافاصله بعد از ارسال امواج، تایمر را راه اندازی کرده و هنگام دریافت امواج، تایمر را متوقف می­کنیم. با این کار زمان رفت و برگشت امواج به دست می­آید. با استفاده از یک مقاومت NTC به کمک ADC میکروکنترلر، دمای محیط را نیز اندازه می­گیریم. علت اندازه‌گیری دما این است که دما در سرعت صوت تاثیر دارد.

سرعت صوت در دماهای مختلف متفاوت است. به طور مثال سرعت صوت در دمای صفر درجه سانتیگراد برابر 331.5m/s  است. سرعت صوت در دماهای مختلف از رابطه زیر تبعیت می کند.

و اگر در رابطه بالا به جای  مقدار دما مثلاً 40 درجه سانتیگراد را قرار دهیم سرعت صوت در دمای 40 درجه سانتی گراد 355.5m/s خواهد بود.

حال که زمان  و سرعت صوت  را داریم می­توانیم به راحتی با جاگذاری در فرمول X=VT فاصله رفت و برگشت امواج صوتی را پیدا کنیم با تقسیم این فاصله به عدد 2، فاصله ما از جسم یا دیوار مقابل بدست می­آید.

طبق آزمایشات انجام شده برای اندازه­ گیری فاصله کمتر از 2 متر تعداد سیکلهای تولید شده در حد 4 یا 5 سیکل کافی می­ باشد. ولی برای فاصله های بیشتر از 2 متر تا 4 متر برای اینکه قدرت بیشتری داشته باشیم باید تعداد سیکل بیشتری تولید شود. تولید تعداد سیکل بالا در فاصله های نزدیک باعث از کار افتادن سنسور گیرنده خواهد شد. چون قبل از اینکه امواج برگشتی به سنسور گیرنده برسد امواج خود فرستنده عملکرد آن را مختل خواهند کرد. و نخواهیم توانست فاصله های نزدیک را اندازه بگیریم.

با خرید این محصول سورس برنامه میکروکنترلر، مدار شماتیک، نقشه PCB و فایل word با توضیحات کامل بصورت یک فایل فشرده در اختیار شما قرار خواهد گرفت و می توانید دانلود کنید. همچنین فایل سورس پروژه در حساب کاربری شما قرار خواهد گرفت و به دفعات قابل دانلود می باشد.

امیدوارم مطالب مفید واقع شده باشد.

مطالعه بیشتر