Ultraschalltechnik - Distanzmessung

1. Einleitung

Der im Folgenden dargestellte Bericht ist eine Dokumentation zum Projekt Distanzmessung bezüglich Hardware und Software.

Die Schaltung besteht aus dem Mikrocontroller AT Mega 16 vom ATMEL und der restlichen Peripherie. Das physikalische Mittel ist Ultraschall, und aus dem Verhältnis Geschwindigkeit und Zeit wird die Strecke (Distanz) berechnet.

Im Laufe des Projekts sind der Ultraschallempfänger, Ultraschallsender, Verstärker und die Grundschaltung des Mikrocontrollers zusammengeschaltet, über serielle Schnittstelle mit PC verbunden und programmiert. Die Programmiersprache ist C. Als Entwicklungsumgebung sind AVR-Studio 4, AVR-GCC-Compiler und Debug-Plattform JTAGICE mkll verwendet.

Es entstanden 11 Versionen des Programms, die schrittweise erweitert und optimiert wurden. In der gesamten Projektzeit sind die Signalverläufe beobachtet und optimiert worden. Die Berechnung und Dimensionierung ist für den Bereich 0,2 bis 10 Meter. Die Ausgabe erscheint am Bildschirm und ist im Bereich 0,2 bis 3,5 Meter mit einer Fehlerrate kleiner 1 % erprobt.

2. Hardware

Die Hardware besteht aus mehreren Hauptteilen und Ultraschallbauelementen:

2.1. Mikrocontrollerschaltung

In diesem Abschnitt ist Mikrocontroller mit einem 16 MHz Quarz und zwei 22 pF Keramik-Kondensatoren geschaltet. Hier wird Der Systemtakt erzeugt. Bei der Realisierung ist darauf zu achten, dass diese Bauteile ziemlich dicht nebeneinander platziert werden, da sonst die längeren Leiterbahnen zur Verfälschung der Kapazitäten führen.

Weiterhin ist der Reset-Pin über einen Widerstand an Versorgungsspannung verbunden. Über einen Taster ist die Schaltung jede Zeit resetfähig. über einen Spannungsteiler bestehend aus Potentiometer und einem zusätzlichem Widerstand wird die Referenzspannung für Analog Digital Wandler eingestellt. Mit IC4, einem Max 3232CPE und dazugehörigen Kondensatoren wird das Spannungspegel für die Kommunikation über serielle Schnittstelle nach außen bereitgestellt.

2.2. Versorgungsspannung

Hier eine kleine Schaltung bestehend aus IC3 einem Spannungsregler 7805, Kondensatoren und Dioden versorgt die Schaltung mit einer regulierten Spannung. Die Brücke bestehend aus Dioden übernimmt den Schütz der Schaltung vor falscher Polung einer angelegten Gleichspannung und sonst die Gleichrichtung einer angelegten Wechselspannung.

Die größeren Kondensatoren übernehmen die Glättung und Lieferung der größeren Ströme und der 100 nF Kondensator die Schnelleren kurzzeitigen Ströme, damit keinen Zusammenbruch der Spannung zustande kommt.

2.3. Verstärker

Das Empfangene Signal wurde über drei Stufen eines TL084B von IC2 verstärkt. Dabei wurden in den Stufe 1 und 2 der Verstärkung Bandpässe benutzt, damit das Signal im Bereich der gewünschten Frequenz verstärkt wird. In der dritten Stufe erfolgte die Verstärkung ohne weitere Filtermaßnahmen.

Die Gesamtverstärkung der drei Stufen beträgt Faktor 2000. Das entspricht 198 dB. Es folgten dann die Gleichrichtung und Glättung des Signals und dessen Weitergabe an Analog Digital Wandler.

Die Versorgungsspannung für IC2 erfolgte über einen Spannungsteiler zwischen VCC und GND der Gesamtschaltung. Somit wurden die negative und positive Spannung von 2,5 V bereitgestellt.

Die Eigenschaften vom IC2 erlauben den Betrieb des Bauteils mit etwa 2,5 V und 1,2 mA. Weiterhin verhält sich das Bauteil im Frequenzbereich bis 40 kHz tolerierbar. Typische Werte am Eingang sind 3 mV und 5 pA und die höchste aufgenommene Leistung 680 mW bei 18 V Versorgungsspannung.

2.4. Ultraschallbauelementen

In der Schaltung sind 400ST160 als Sender und 400RT160 als Empfänger vom Ultraschallsignal verwendet. Beide Bauteile haben eine gerichtete Wirkung. In einem Winkel von 30° ist die Empfindlichkeit bzw. die Stärke auf -6 dB geschwächt. Die optimale Stärke beim Senden und Empfindlichkeit beim Empfangen sind bei 40 kHz. Das ist das Hauptmaxima. In einem Bandabstand von 1 kHz werden die Sende und Empfangswirkung um 6 dB geschwächt.

Die Abweichung der Frequenz in Abhängigkeit von der Temperatur ist etwa 1% pro 50°C . Der Sender kann im Bereich 1 bis 20 V betrieben werden. Das Entspricht 97 bis 123 SPL(dB). Der Empfänger kann im Bereich 1 bis 390 k Ohm betrieben werden. Das entspricht -63 bis -53 dB Empfindlichkeit.

3. Eagle

Zur Darstellung der Schaltung und Layout der Platine wurde das Programm EAGLE verwendet. Eagle ein reines Zeichenprogramm und hat mit den elektrischen Regeln nicht zu tun. Jedes Bauelement hat ein Symbol für die Darstellung auf der Schaltungsebene und ein Abbild zur Darstellung der Gehäuse auf dem Board. Bei der Arbeit wurden erst mal die Bauelementsymbole der Schaltung aus den Bibliotheken des Programms Eagle ausgewählt und mit verschiedenen Softwarewerkzeugen (Befehle) auf die Zeichenebene gesetzt, gedreht, gespiegelt, platziert, einen Namen und Wert gegeben und miteinander verbunden.

Die Schaltung konnte dann auf Fehler kontrolliert, korrigiert und optimiert werden. Aus dieser Zeichnung wurde später eine zweite Zeichnung gemacht, welche die Bauelementgehäuse, Pins und Verbindungen darstellt. In dieser Zeichnung konnte dann entschieden werden, welche Verbindungen auf der TOP-Ebene und welche auf der BOTTON-Ebene verlaufen sollen. Die erste Entscheidung überlässt man der Software und erst danach optimiert man selber per Einzelbefehl.

Außer Top und Botton können noch mehrere Zwischenebenen geplant werden, auf die die Leiterbahnen verlaufen. Das ist der Fall, wenn sehr komplexe Schaltungen mit mehreren Bussen und höher Anzahl der Bauelemente vorliegen. Das Programm ist vielseitig und ein sehr effizientes Werkzeug zur Planung der Schaltungsplatinen.

Das Ergebnis der Arbeit mit dem Programm Eagle in unserem Fall ist in den folgenden Abbilder dargestellt. Aus der Schaltung und Layout können weitere Dateien erzeugt werden, von denen die Stückliste auch in diesem Bericht gegeben ist.

Schaltplan zur Ultraschalldistanzmessung

Platinenlayout zur Ultraschalldistanzmessung

Stückliste zur Ultraschalldistanzmessung

Bild vom Arbeitsplatz

Bild der Gesamtschaltung

Verlauf der Signale; Grundverhältnisse

Verlauf der Signale; unter 30 cm Entfernung

Verlauf der Signale; Grenze 30 cm Entfernung

Verlauf der Signale; über 30 cm Entfernung

Verlauf der Signale; Dynamisch, 30 cm Entfernung

Verlauf der Signale; Dynamisch, 60 cm Entfernung

Verlauf der Signale; Dynamisch, 180 cm Entfernung

4. Software

Das Ziel in diesem Bereich war das Verwenden der verschiedenen Funktionen des Mikrocontrollers und deren geordnetes Zusammenspiel, so dass eine Ausgabe am Bildschirm die Distanz bekannt gibt.

Die Initialisierungswerte, Timereinstellung, Wahl der prescaler und Registereinstellungen der folgenden beschriebenen Teile des Mikrocontrollers sind im Programmcode in Kommentarzeilen angegeben.

source code ▸

4.1. Sendesignal:

• a) Initialisierung der Pulsweitenmodulation:
• Ultraschallfrequenz,
• Pulsweite,
• b) periodisch zeitliche Ausgabe.

4.2. Empfangssignal:

• a) Initialisierung der Analog-Digital-Wandlung:
• Bestimmen der Referenzspannung,
• Bestimmen der Auflösung,
• Bestimmen des Ausgabekanals,
• b) Interrupt Service Routine ISR(ADC_vect).

4.3. Ausgabe über serielle Schnittstelle:

• a) Initialisierung vom UART:
• Einrichten der Baudrate,
• Einstellen der Register zur Kommunikation vom μC mit Bildschirm und Tastatur über PC,
• Bekanntgabe der Anzahl von Bits,
• Bekanntgabe der Anzahl von Stopbits,
• Bekanntgabe der Parität,
• b) Bereitstellen der Funktionen zum Einlesen und Ausgeben von Zeichen und Zeichenkette.

4.4. Timer:

• a) Initialisierung vom Timer0:
• Takteinstellung,
• Timer Overflow Interrupt einrichten,
• b) Interrupt Service Routine ISR( TIMER0_OVF_vect ).

4.5. Funktionen

Berechnung und Umformung zur Ausgabe über serielle Schnittstelle.

Ausgabe der berechneten Werte aus der Messung

5. Zusammenfassung

Im Laufe des Projekts hat es sich gezeigt, dass die Ultraschallbauelemente am besten nebeneinander mit einer isolierenden Wand platziert werden sollen. Das beruht auf die Richteigenschaft und sich daraus ergebenden Nebenkeulen der genannten Bauelemente.

Die Verstärkung des Senders oder Empfängers sollte auch je nach Entfernung einstellbar sein. Auch sei bemerkt, wo das Laserlicht oder Infrarot nicht durchdringen oder an Oberflächen mit unpassendem Winkel reflektiert werden, ist der Ultraschall einsetzbar, weil er an Materie gebunden und longitudinaler Art der Welle ist.

6. Quellen:

Datenblätter:

• TL084A QUAD OPERATIONAL AMPLIFIERS
• 400ST/R160 Air Ultrasonic Ceramic Transducers
• MAX3232 Low-Power, up to 1Mbps, True RS-232
• ATmega16 8-bit Microcontroller vom Atmel
• KA78XX 3-Terminal 1A Positive Voltage Regulator

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