Ultraschallabstandsensor
Beitrag zum Schaltungswettbewerb 2013 von Holger Fritzsch
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Manchmal hat man das Gefühl, dass die Garage kleiner oder plötzlich das Auto größer geworden ist. Damit das nicht zu bleibenden Eindrücken kommt, ist meine Schaltung, ein "Ultraschallabstandssensor" sinnvoll.
Herzstück der Schaltung sind Ultraschallsensoren, die als Sender bzw als Empfänger in einemAluminiumgehäuse gekapselt und äußerlich zum Verwechseln ähnlich aussehen. Der Sender ( Conrad # 507764 ) und der Empfänger ( Conrad # 507763) arbeiten nach dem Piezo- Effekt („Piezo“ griech, drücken). So wird durch mechanische Deformierung eines Kristalls eine elektrische Spannung erzeugt. Der Resonator ist ein konischer, trichterförmiger Metallkörper, der über eine Metallmembran auf den Kristall wirkt.
Der umgekehrte oder besser der inverse Piezo-Effekt verformt ein Material durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Elektrisch gesehen wirkt ein Piezo wie ein Kondensator, mit einer Kapazität von ca 2,5nF. Wird die Sendekapsel mit einem Generator, Frequenz ( ca 40 kHz 10 – 15 Vss), angesteuert und der Empfänger an den Oszi angeschlossen, so erzeugt ein in die Nähe gebrachter Empfänger ( Abstand ca. 10 – 20 cm ), Spannungen im mV- Bereich .
So kann man auch ermitteln wer „Sender“ oder „Empfänger“ ist. Beide Kapseln können abstrahlen, aber nur eine gibt „ordentlich“ Spannung, als Empfänger, ab! Die Frequenz des Ultraschalls beginnt oberhalb des menschlichen Gehörs, also bei ca. 16 kHz. Vorbild in der Natur sind die Fledermäuse, die ein Art Sonar „eingebaut“ haben. Primär wird ein Signal abgestrahlt. Trifft dieses Signal auf ein Hindernis, so wird dieses reflektiert. Da die vergangene Zeit dem zurückgelegten Weg proportional ist, kann man die Entfernung zum Hindernis berechnen. Der Schall legt bekanntlich 300 m / s zurück. Auch U- Boote nutzen das Sonar um sich zu orientieren.(Echopeilung)
Ultraschallsender
Wird der Taster betätigt geht der Eingang (pin 8 / 9) auf L, daraufhin geht pin 10 auf H- Potential und schaltet den Generator ( pin 1 /2/3 ) ein. Dieser erzeugt einen Burst mit der Frequenz 40 kHz und einer Amplitude von ca. 15 Vss. ( s. Oszillogramm) Dieser Ultraschallton wird über die US- Sendekapsel abgestrahlt. Wird der Taster nicht mehr betätigt geht pin 8 / 9 auf H- Potential, pin 10 auf L und der Generator schaltet wieder ab. Durch Gatter pin 5 /6 /4 wird eine Aufstockung des Ausgangspegels erreicht.
Impuls parallel zur Sendekapsel
Schaltung des Senders
Praktischer Aufbau des Senders
Ultraschallempfänger
Das Ultraschallsignal wird von der US- Empfangskapsel aufgenommen und durch T1 BC 548 verstärkt. Dieser passt den Piezo an den Inverter (pin 1 / 2 / 3) an. Der Inverter formt einen Rechteckimpuls, der zur Ansteuerung des RS- FF nötig ist (s. Bild Impuls am Inverter Pin 5) Bei Detektierung eines Signals gibt es einen kurzen Spannungssprung am Kollektor T1. Pin 1 /2 erhält H – Pegel → pin 3 erhält L- Pegel ( Inverter) → pin 5 erhält L- Pegel → pin 10 erhält L-Pegel und die LED wird eingeschaltet. Der FF ist gesetzt (set) und speichert diesen Zustand. Ein Druck auf den „RESET“- Taster setzt das RS- FF zurück. (reset). Die Anlage ist wieder aktiviert und wartet auf US- Impulse.
Schaltung des Empfängers
Praktischer Aufbau des Empfängers
Impuls am Kollektor T1
Impuls am Inverter Pin 5
Momentan wird durch Tastendruck auf eine Entfernung von 20 cm ein Schaltvorgang ausgelöst. Ich habe es mit entsprechender Einstellung am Frequenzregler, dazu Taste gedrückt halten, und mit Kunststoffschraubendreher auf Maximum am Inverter (pin 3) abgleichen, bis 1 m geschafft. Weitere Steigerung könnte evtl. eine zweite Transistorstufe bewirken und eine Betriebsspannungserhöhung auf 12 V.
Im genannten Anwendungsfall ist es möglich beide US- Kapseln in einer Ebene an der Wand zu montieren und durch Reflektion einen Schaltvorgang auszulösen. Dazu muß der Taster im Sender dauerhaft überbrückt werden. Auch lässt sich eine Art 1- Kanal Fernbedienung realisieren. So wurden auch unsere alte TV-Geräte bedient. Weiterhin kann eine Art „Lichtschranke“ ( auf US-Basis) zur Personenzählung realisiert werden
Schlussbemerkung
Die o.g. 40 KHz als Signalfrequenz sind relativ und exemplarabhängig. Nach einem Feinabgleich habe ich jetzt Werte um 36,16 KHz. Sender und Empfänger passen so gut zusammen. Vorliegende Schaltung braucht praktisch keinen Ruhestrom (CMOS). Das erleichtert den Einsatz, da Batteriebetrieb möglich ist. Im ordentlichen Aufbau (Platine) sind alle Eingänge der unbenutzten Gatter auf H- Potential zu legen. Man sollte keramische Stützkondensatoren am IC vorsehen. Der Frequenzegler im Sender sollte ein Regler mit Spindelantrieb sein.
Manchmal hat man das Gefühl, dass die Garage kleiner oder plötzlich das Auto größer geworden ist. Damit das nicht zu bleibenden Eindrücken kommt, ist meine Schaltung, ein "Ultraschallabstandssensor" sinnvoll.
Herzstück der Schaltung sind Ultraschallsensoren, die als Sender bzw als Empfänger in einemAluminiumgehäuse gekapselt und äußerlich zum Verwechseln ähnlich aussehen. Der Sender ( Conrad # 507764 ) und der Empfänger ( Conrad # 507763) arbeiten nach dem Piezo- Effekt („Piezo“ griech, drücken). So wird durch mechanische Deformierung eines Kristalls eine elektrische Spannung erzeugt. Der Resonator ist ein konischer, trichterförmiger Metallkörper, der über eine Metallmembran auf den Kristall wirkt.
Der umgekehrte oder besser der inverse Piezo-Effekt verformt ein Material durch Anlegen einer elektrischen Spannung. Elektrisch gesehen wirkt ein Piezo wie ein Kondensator, mit einer Kapazität von ca 2,5nF. Wird die Sendekapsel mit einem Generator, Frequenz ( ca 40 kHz 10 – 15 Vss), angesteuert und der Empfänger an den Oszi angeschlossen, so erzeugt ein in die Nähe gebrachter Empfänger ( Abstand ca. 10 – 20 cm ), Spannungen im mV- Bereich .
So kann man auch ermitteln wer „Sender“ oder „Empfänger“ ist. Beide Kapseln können abstrahlen, aber nur eine gibt „ordentlich“ Spannung, als Empfänger, ab! Die Frequenz des Ultraschalls beginnt oberhalb des menschlichen Gehörs, also bei ca. 16 kHz. Vorbild in der Natur sind die Fledermäuse, die ein Art Sonar „eingebaut“ haben. Primär wird ein Signal abgestrahlt. Trifft dieses Signal auf ein Hindernis, so wird dieses reflektiert. Da die vergangene Zeit dem zurückgelegten Weg proportional ist, kann man die Entfernung zum Hindernis berechnen. Der Schall legt bekanntlich 300 m / s zurück. Auch U- Boote nutzen das Sonar um sich zu orientieren.(Echopeilung)
Ultraschallsender
Wird der Taster betätigt geht der Eingang (pin 8 / 9) auf L, daraufhin geht pin 10 auf H- Potential und schaltet den Generator ( pin 1 /2/3 ) ein. Dieser erzeugt einen Burst mit der Frequenz 40 kHz und einer Amplitude von ca. 15 Vss. ( s. Oszillogramm) Dieser Ultraschallton wird über die US- Sendekapsel abgestrahlt. Wird der Taster nicht mehr betätigt geht pin 8 / 9 auf H- Potential, pin 10 auf L und der Generator schaltet wieder ab. Durch Gatter pin 5 /6 /4 wird eine Aufstockung des Ausgangspegels erreicht.
Impuls parallel zur Sendekapsel
Schaltung des Senders
Praktischer Aufbau des Senders
Ultraschallempfänger
Das Ultraschallsignal wird von der US- Empfangskapsel aufgenommen und durch T1 BC 548 verstärkt. Dieser passt den Piezo an den Inverter (pin 1 / 2 / 3) an. Der Inverter formt einen Rechteckimpuls, der zur Ansteuerung des RS- FF nötig ist (s. Bild Impuls am Inverter Pin 5) Bei Detektierung eines Signals gibt es einen kurzen Spannungssprung am Kollektor T1. Pin 1 /2 erhält H – Pegel → pin 3 erhält L- Pegel ( Inverter) → pin 5 erhält L- Pegel → pin 10 erhält L-Pegel und die LED wird eingeschaltet. Der FF ist gesetzt (set) und speichert diesen Zustand. Ein Druck auf den „RESET“- Taster setzt das RS- FF zurück. (reset). Die Anlage ist wieder aktiviert und wartet auf US- Impulse.
Schaltung des Empfängers
Praktischer Aufbau des Empfängers
Impuls am Kollektor T1
Impuls am Inverter Pin 5
Momentan wird durch Tastendruck auf eine Entfernung von 20 cm ein Schaltvorgang ausgelöst. Ich habe es mit entsprechender Einstellung am Frequenzregler, dazu Taste gedrückt halten, und mit Kunststoffschraubendreher auf Maximum am Inverter (pin 3) abgleichen, bis 1 m geschafft. Weitere Steigerung könnte evtl. eine zweite Transistorstufe bewirken und eine Betriebsspannungserhöhung auf 12 V.
Im genannten Anwendungsfall ist es möglich beide US- Kapseln in einer Ebene an der Wand zu montieren und durch Reflektion einen Schaltvorgang auszulösen. Dazu muß der Taster im Sender dauerhaft überbrückt werden. Auch lässt sich eine Art 1- Kanal Fernbedienung realisieren. So wurden auch unsere alte TV-Geräte bedient. Weiterhin kann eine Art „Lichtschranke“ ( auf US-Basis) zur Personenzählung realisiert werden
Schlussbemerkung
Die o.g. 40 KHz als Signalfrequenz sind relativ und exemplarabhängig. Nach einem Feinabgleich habe ich jetzt Werte um 36,16 KHz. Sender und Empfänger passen so gut zusammen. Vorliegende Schaltung braucht praktisch keinen Ruhestrom (CMOS). Das erleichtert den Einsatz, da Batteriebetrieb möglich ist. Im ordentlichen Aufbau (Platine) sind alle Eingänge der unbenutzten Gatter auf H- Potential zu legen. Man sollte keramische Stützkondensatoren am IC vorsehen. Der Frequenzegler im Sender sollte ein Regler mit Spindelantrieb sein.