فاصله سنج معرفی شده در این بخش از میکروکنترلر PIC16f873 استفاده میکند . فرکانس مافوق صوت مورد استفاده حدود KHz 40 است . در فاصله سنج معرفی شده ، ویژگی های زیر از PIC مورد استفاده قرار گرفته است :
واقع نگار[1] : مدت زمانی که پس از ارسال موج اولتراسونیک ، طول می کشد که موج پس از برخورد به شی مورد نظر باز گردد ، اندازه گیری می شود .
مبدل A/D : سرعت انتشار صوت با دما تغییر می کند . از یک مبدل A/D برای اصلاح مقدار نمایش داده شده استفاده می شود .
فاصله سنج مافوق صوت ( اولتراسونیک ) ...
نمودار مداری فاصله سنج مافوق سوت
بررسی مدار
مدار گیرنده : مدار گیرنده تقریباً مانند مدار گیرنده فاصله سنج های مافوق صوت بدون میکرو کنترلر می باشد .
سیگنال اولتراسونیک ( مافوق صوت ) که به وسیله حس گر ( سنسور ) دریافت می شود ، طبقه اول آن را 100 برابر ( db 40 ) و طبقه دوم آن را 10 برابر ( db 20 ( می کند . معمولاً از منبع تغذیه دوبل ( مثبت و منفی ) برای تقویت کننده های عملیاتی استفاده میشود. اما در اینجا تنها از یک منبع V 9 + برای تغذ یه آنها استفاده شده است . بنابراین به ورودی مثبت تقویت کننده های عملیاتی ، نصف ولتاژ تغذیه به عنوان ولتاژ بایاس اعمال می شود . بنابراین سیگنال جریان متناوب میتواند براساس ولتاژ مرکزی V 5/4 تقویت شود . هنگامی که تقویت کننده های عملیاتی دارای فید بک منفی هستند ، ولتاژ ورودی پایه مثبت و منفی آنها تقریباً باهم برابرند . این حالت را زمین مجازی می نامند . بنابراین ، با وجود ولتاژ بایاس ، طرف مثبت و منفی سیگنال جریان متناوب به طور یکسان تقویت می شود . اگر از ولتاژ بایاس استفاده نشود ، سیگنال جریان متناوب دچار اعوجاج[2] می گردد . از این روش ، هنگامی که تقویت کننده عملیاتی ( Op – amp ) از منبع دوبل به جای یک منبع تکی ، تغذیه می شود استفاده می گردد .
مدار آشکار ساز
آشکار سازی با آشکار کردن سیگنال مافوق صوت دریافتی انجام می گیرد . این کار به وسیله یکسو کننده نیم موج که از دیود ها ی مسدود کننده شاتکی [3] استفاده می کند ، انجام میشود.
شکل 1 مدار تقویت سیگنال شکل 2
باوجود به دامنه سیگنال آشکار شده ، یک ولتاژ DC در دوسر خازن خروجی مدار ظاهر خواهد شد. از دیودهای مسدود کننده شاتکی استفاده شده است زیرا مشخصه فرکانس بالای آنها مناسب می باشد .
آشکار ساز سیگنال
این مدار ، سیگنال اولتراسونیک برگشتی از شی مورد نظر را آشکار می کند . خروجی مدار آشکارساز به کمک مقایسه کننده آشکار میشود . در مدار شکل (3) تقویت کننده عملیاتی که با یک منبع تغذیه می شود به عنوان مقایسه کننده به کار رفته است . تقویت کننده عملیاتی اختلاف بین پایه ورودی مثبت و منفی خود را تقویت کرده و در خروجی ظاهر می سازد . درحالتی که تقویت کننده عملیاتی دارای فید بک منفی نمی باشد ، خروجی با یک ولتاژ ورودی کوچک به حالت اشباع می رود . ضریب تقویت کننده های عملیاتی در حالت بدون فید بک معمولاً از 10000 بزرگتر است . بنابراین هنگامی که ورودی مثبت به مقدار ناچیزی از ورودی منفی بیشتر میشود ، اختلاف بین دو ورودی بیش از 10000 بار تقویت میشود و ولتاژ خروجی تقریباً برابر ولتاژ تغذیه خواهد شد . این وضعیت ، حالت اشباع می باشد . برعکس هنگامی که ورودی مثبت به مقدار ناچیزی از ورودی منفی کمتر می گردد ، اختلاف بین دو ورودی در این حالت نیز بیش از 10000 برابر تقویت می شود و ولتاژ خروجی تقریباً صفر میشود . این وضعیت را حالت OFF میگویند . این نوع عملکرد همانند عملکرد یک مقایسه کننده می باشد . البته با توجه به آن که مدار داخلی مقایسه کننده متفاوت از تقویت کننده تفاضلی به کار رود . در این مدار ، خروجی مدار آشکار ساز به ورددی مثبت آشکار ساز سیگنال وصل و به ورودی منقفی آشکار ساز سیگنال ، یک ولتاژ ثابت اعمال میشود: ولتاژ ثابت پایه منفی :
بنابراین ، هنگامی که سیگنال مافوق صوت یکسو شده از V 0.4 بیشتر میشود ، خروجی آشکارساز سیگنال برابر یک ( تقریباً V 9 ( خواهد شد . این خروجی به وسیله مقاومت کاهش پیدا کرده تا با ولتاژهای استاندارد TTL ( 0 تا V 5) برای اعمال به ورودی مدار نگهدارنده سیگنال ( signal holding circuit ) سازگار گردد .
مدار نگهدارنده سیگنال (signal holding circuit )
شکل (4) مدار نگهدارنده سیگنال آشکار شده را نشان می دهد .
این مدار از یک فیلیپ فلاپ SR تشکیل شده است .
آشکار ساز به گونه ای ساخته شده است که در زمان ثابت ( حدود 5/1 میلی ثانیه ) پس از ارسال پالس انتقال [4] عمل نمیکند تا از آشکار سازی اشتباه [5] که ناشی از تأثیر پالس انتقال است جلوگیری شود. این عملیات به وسیله ی نرم افزار PIC کنترل می شود .
هنگامی که از ویژگی واقع نگار [6] PIC استفاده می شود ، این مدار ضروری نمی باشد . عملیات واقع نگار به وسیله ی تغییر ورودی واقع نگار در یک مرحله انجام می شود . علت استفاده از آن در این پروژه ، تأیید عملیات آشکار سازی سیگنال در زمان آشکار سازی سیگنال منعکس شده یا برگشتی ( حدود 65 میلی ثانیه ) می باشد . هنگام ارسال پالس مافوق صوت بعدی ، خروجی این مدار آزمایش می شود و در صورتی که صفر باشد ، اعلام خطا انجام می شود زیرا سیگنال منعکس شده یا برگشتی نمیتواند آشکار گردد.
مدار فرستنده
از معکوس کننده (NOT) برای راه اندازی حس گر اولتراسونیک استفاده شده است . دو معکوس کننده باهم موازی شده اند تا توان الکتریکی انتقال افزایش یابد . فاز و ولتاژ به سر مثبت اعمال می شود و سر منفی حس گر 180 درجه اختلاف فاز دارد . از آنجا که جریان dc به وسیله ی خازن حذف می شود ، حدود دو برابر ولتاژ خروجی معکوس کننده به حس گر اعمال خواهد شد . ولتاژ منبع تغذیه این مدار راه انداز حدود V 9 + است . این ولتاژ به وسیله ی تثبیت کننده به ولتاژ کار ( V PIC 5 +) برای کنترل کردن تبدیل میشود . از آنجا که معکوس کننده ها از نوع CMOS هستند ، می توان قطع و وصل ) ON/OFF ) را در سرعت های نسبتاً بالا انجام داد.
مدار نمایشگر LED هفت قسمتی
نمایشگر مدار3 رقمی است.نمایشگر ها به وسیله ی نرم افزار PCI و به روش جاروب (اسکن ) کردن روشن می شوند به گونه ای که در هر لحظه از زمان تنها یک نمایشگر روشن است . از آنجا که در این مدار ، هرگاه پایه ی PCI صفر شود ، نمایشگر روشن خواهد شد ، بنابراین از نمایشگرهای آند مشترک استفاده شده است . در نوع آند مشترک پایه مثبت ( آند ) دیودهای LED در داخل به هم وصل شده اند . برای روشن شدن هر یک از LED های نمایشگر هفت قسمتی باید کاتد آن را همانند شکل (7) صفر کرد .
مدار تولید ولتاژ اصلاح دما
سرعت انتشار امواج صوتی در فضا با دمای تغییر میکند . در دمای برابر و در دمای برابر میباشد . این فاصله سنج ، فاصله را با تقسیم زمان انتشار که به وسیله ی ویژگی واقع نگار ( capture) اندازه گیری میشود محاسبه میکند . برای مثال اندازه گیری فاصلی m 1 در محیط توضیح داده میشود . مدت زمانی که برای رفت و برگشت موج صدا طول می کشد برابر است با : فاصله بر حسب cm باید آن ر ابرابر 60 تقسیم نمود ، یعنی داریم :
ارقام بعد از ممیز حذف می شوند ( تنها سه رقم نمایش داده میشود ) و این امر باعث خطای اندازه گیری می گردد. نسبت تبدیل 60 به دمای محیط بستگی دارد و به فاصله ای که باید اندازه گیری شود ، ارتباطی ندارد . در حالت m 9 داریم :
با بزرگتر شدن فاصله،خطای تبدیل بیشتر میشود.این به دلیل آن است که تبدیل کوچکتراز نقطه ی ممیز امکان پذیر نمی باشد .
در دمای داریم :
مقدار تبدیل برابر 56 میشود . مقدار تبدیل باید با دمای محیط تغییر کند . در این مدار، مقدارتبدیل به وسیله ی ویژگی تبدیل A/D تولید می شود . مبدل A/D ، ولتاژ ورودی را به داده دیجیتال 10 بیتی تبدیل می کند . در اینجا تنها سه بیت بالای مورد استفاده قرار گرفته است . بنابراین به ازای تغییر ورودی آنالوگ از 0 تا 5 ولت ، خروجی دیجیتال 0 تا 7 نتیجه خواهد شد . به این مقدار ، عدد 54 افزوده می شود . بنابراین محدوده تغییرات مقدار تبدیل از 54 تا 61 خواهد بود .
نوسان ساز
از یک کریستال MHz 4 در مدار استفاده شده است . این فرکانس با توجه به زمان شمارش زمان سنج انتخاب گردیده است. هنگامی که از ساعت MHz 4 استفاده می شود ، زمان شمارش صعودی شمارنده برابر یک میکروثانیه بر هر شمارش خواهد بود . از شمارنده Timer 1 برای واقع نگار ( Capture) استفاده شده است و دارای حداکثر مقدار شمارش 65535 ( 16 بیت ) میباشد . بنابراین حداکثر شمارش 65/535 میلی ثانیه را میتوان ایجاد کرد . سرعت انتشار صوت در هوا و در دمای برابر است . زمان رفت و برگشت صدا برای فاصله 10 متری برابر خواهد شد با :
منبع تغذیه
به وسیله ی دو آی سی تثبیت کننده سه پایه ولتاژهای V 5+ و V 9 + از ولتاژ منبع تغذیه V 9 + تولید می شود . ولتاژ V 12 + برای تغذیه مدار فرستنده و گیرنده به کار میرود . آی سی رگولاتورها باید بتوانند جریان mA 100 را تأمین کنند. برای مابقی مدار از ولتاژ V 5+ برای روشن کردن نمایشگرهای LED نیز به کار میرود زیرا آنها به وسیله ی PIC کنترل میشوند . حدود mA 10جریان برای هر قسمت LED نمایشگر هفت قسمتی مورد نیاز است . بنابراین هنگامی که همه قسمتها ( با نقطه ممیز 8 قسمت ) روشن است، حدود mA 80 جریان مورد نیاز می باشد . با توجه به مصرف کم آی سی های دیگر مدار ، یک آی سی تثبیت کننده mA 100 کافی است اما برای اطمینان بیشتر از V 15 ، A 1 استفاده شده است .
آزمایش عملکرد فاصله سنج مافوق صوت
تأیید عملکرد آشکار سازی
شکل صفحه بعدی ،شکل موج پالسهای ارسالی ، دریافتی و ... را برای اندازه گیری فاصله ی
m 36/2 نشان میدهد . نقاط مشاهده این پالس ها عبارتند از :
1- پایه شماره (1) از تراشه IC1 ( سیگنال را پس از تقویت به وسیله تقویت کننده عملیاتی، نشان مید هد .) 2- پایه شماره (8) از تراشه IC3 ( سیگنال دریچه مدار نگهدارنده آشکار ساز به وسیله PIC را نشان میدهد .) 3- پایه شماره (11) از تراشه IC3 ( سیگنال خروجی از مدار نگهدارنده آشکار ساز را نشان می دهد .)
هنگامی که نقطه مشاهده (2) برابر صفر است ، آشکار ساز غیر فعال می باشد . شما میتوانید یک عیب که به وسیله پالس انتقال جلوگیری شده است را پیدا کنید . زمان جلوگیری این مدار حدود 5/1 میلی ثانیه است . چنانچه این زمان کوتاه تر شود امکان وقوع عیب وجود دارد .
برخی سیگنال های انعکاسی ضعیف ممکن است دریافت شوند تا این که پالس برگشتی اصلی دریافت گردد. از آنجا که ولتاژ آستانه آشکار ساز سیگنال IC2 به طور مؤثری کار میکند ، این سیگنال های ضعیف آشکار نمی شوند . سیگنال نقطه (3) هنگام آشکار شدن یک پالس برگشتی از صفر به یک تغییر می کند این سیگنال به وسیله ی ویژگی واقع نگار(capture ) PIC آشکار شده و زمان انتشار سیگنال مافوق صوت اندازه گیری می شود .
محدوده اندازه گیری
زمان انتقال موج مافوق صوت این مدار 5/0 میلی ثانیه است. بنابراین مدار نمیتواند فاصله های دور را اندازه گیری کند .
کوتاه ترین فاصله : cm 29
این فاصله به وسیله زمان جلوگیری از یک اثر به وسیله ی پالس انتقال انتخاب می شود . هنگام اندازه گیری یک فاصله ی دور ، زمان ارسال پالس انتقال باید طولانی شود . بدین منظور باید زمان جلوگیری طولانی شود. در نتیجه زمان اندازه گیری فاصله های کوتاه طولانی می گردد.
بیشترین فاصله : m 6/3
این فاصله به وسیله ی طول پالس انتقال انتخاب می شود . انرژی مافوق صوت با طولانی شدن پالس انتقال افزایش می یابد و در نتیجه اندازه گیری فاصله دورتر ممکن میشود . اما همان طور که در بخش کوتاه ترین فاصله مورد اشاره قرار گرفت ،زمان اندازه گیری فاصله های کوتاه طولانی می گردد.
به هنگام اندازه گیری فاصله های دور میتوان نرم افزار را بدون تغییر سخت افزار تغییر داد. التبه در این حالت بهتر است از یک بوق صوتی برای متحرک کردن امواج مافوق صوت استفاده شود .
ویژگی تنظیم دما
بدین منظور اندازه گیری برای فاصله یک متر مطابق شکل (12) در نظر گرفته شده است .
دما برای نمایش 1.00 یک مقدار برآورد می باشد. در این دستگاه ، تنظیم کردن با مقدار تنظیم خیلی ریز امکان پذیر نمی باشد.آن 8 مرحله دارد و یک مقدار مبنا می باشد.برای تغییرمحدوده ی تنظیم ، تغییر نرم افزار به وسیله ی مقدار تبدیل مبدل A/D ضروری میباشد.
نرم افزار مربوط به این پروژه در CD پیوست کتاب آمده است .
نقشه ی فیبر مدار چاپی فاصله سنج مافوق صوت در شکل (13) نشان داده شده است .
قسمت های گوناگون سخت افزار فاصله سنج مافوق صوت
حس گر مافوق صوت ((sensor
در این پروژه از حس گر مافوق صوت برای هوا که به وسیله ی شرکت Nippon ceramic ساخته شده ، استفاده گردیده است . این حس گر به دونوع تقسیم شده است . یکی برای بخش فرستنده ( T40 – 16 ) و دیگری برای بخش گیرنده ( R40 – 16 ) در نظر گرفته میشود . حرف T نشانگر فرستنده ( Transmitter) و حرف R نشان گیرنده (Receiver) می باشد . عددد 40 نشانگر فرکانس تشدید مافوق صوت (40 KHz) و عدد16 نشانگر قطر حس گر میباشد. از آنجا که یکی از پایه های حس گر به بدنه ی آن وصل است، به هنگام زمین کردن آن ، پایه طرف بدنه ، پایه مورد استفاده قرار می گیرد
(تصاویر در فایل اصلی موجود است)