Ultrasonido

UNIVERSIDAD MILITAR NUEVA GRANADA - INGENIERIA MECATRONICA

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MEDIDOR DE DISTANCIA POR ULTRASONIDO Edwin Leandro Ibañez Orjuela 1800900 - Jonathan Ramiro Pardo Fuentes 1800920

Abstract—El presente paper busca mostrar el uso y funcionamiento que brinda un ultrasonido en la medicion de distancias. Index Terms—Ultrasonido, Medidor por ultrasonido, UCMR4OK1, Ultrasonido PING.

I. O BJETIVOS A. Objetivo General •

Diseñar un sistema de localización de objetos por emisión de ondas que permita conocer su posición, tamaño y velocidad .

B. Objetivos Especificos • •

•

Diseñar un sistema para emitir y recibir señales capaces de aportar información sobre un objeto lejano. Definir estrategias de procesamiento de señales que permitan extraer información sobre posición, tamaño y velocidad del objeto detectado. Realizar un estudio que permita conocer que productos existen en el mercado y que son competidores del sistema diseñado. II. I NTRODUCCION

Este paper describe la aplicacion de un medidor de distancia con ultrasonido de tipo UCM - R40K1. aplicando en el emisor una rafaga de 40KHz la cual es transmitida por el ambiente hasta el objeto de analisis y retorna la señal con información del objeto al sensor receptor de ultrasonido. III. M ARCO T EORICO A. Ultrasonido Ultrasonido hace referencia a las frecuencias arriba de 20KHz (limite de sonido audible). Altas frecuencias tienen longitudes de onda cortas lo que hace 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. 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. 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. B. UCM-R4OK1 El número de parte incluye al transmisor y al receptor, marcados con T y R.

Son unos dispositivos piezoelectricos que estan diseñados para captar señales sonoras ultrasonicas. C. PING El funcionamiento de este poderoso sensor se basa en la misma utilizacion de ondas ultrasonicas. Este sensor tiene una sensibilidad muy buena ya que es capaz de captar objetos ubicados desde 3 a 300 cm de distancia del sensor. El sensor PING ya trae el acondicionamiento lo cual facilita mucho su manejo al momento de usar ultrasonidos para aplicaciones mas robustas, ya que trae un timer incluido que mide el tiempo de transmision y recepcion de la señal. La información que entrega este sensor esta dada en forma de un tren de pulsos los cual facilita la transmición a un microcotrolador para determinar y procesar mejor la información final que se puede tener sobre el objeto.

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IV. F UNCIONAMIENTO Se generan ráfagas de 40 KHz con duración de 5 mS cada 65 mS. Al detectar la onda reflejada se genera una interrupción la cual detiene un timer.

V. R ESULTADOS

Para calcular la distancia se sabe que la velocidad del sonido es de 343m/s = 34300cm/s , por lo tanto: 1cm= 1seg/34300cm = 29.15us 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. 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 la distancia desde donde se emitió la señal ultrasonica.

Con la señal tomada por el receptor se puede procesar para que de esta manera se pueda obtener informacion sobre la posición, tamaño y velocidad del objeto. Para poder determinar la posición del objeto se toma el tiempo que almaceno el timer y se divide en 2 para de esta manera saber el tiempo de la señal de ultrasonido en un solo sentido, y pues conociendo la velocidad del sonido ultrasonico, que puede ser afectado por la temperatura pero pues se tomo como referencia una temperatura de 20ž celcius, para asi de esta manera tener valores de referencia se logra tener la distancia a la cual se encuentra el objeto del ultrasonido. Al momento de analizar la velocidad del objeto el sensor solo podria hallar la velocidad a la cual se acerca o se aleja el objeto del ultrasonido tomando como muestra dos posiciones en un intervalo de tiempo definido. Y finalmente para poder determinar el tamaño del objeto que el ultrasonido capta se tendria como base saber cual es la amplitud del pulso en el emisor y compararla con la amplitud del receptor y sabiendo a la distancia a la cual se encuentra poder comparar y determinar el tamaño del objeto analizado. VI. C ONCLUSIONES

A. TRANSMISOR El transmisor esta construido con un 555 e inversores CMOS, se emplea la característica CMOS para ponerlos en paralelo y aumentar la potencia de transmisión. La señal acoplada entre las terminales positiva y negativa es defasada 180ž, por lo que el voltaje aplicado entre las terminales es el doble.

En el diseño de acople del ultrasonido presentado en este informe se muestra una forma de como lograr un buen funcionamiento del ultrasonido desde ceros y pues es muy util para entender muy bien el funcionamiento de este sensor, pero hoy en dia ya se consiguen ultrasonidos con acoplamiento que evita tanto trabajo con el acondicionamiento de la señal analoga y la conversion a digital, pero hay que tener en cuenta que depende las especificaciones que se necesiten y por ejemplo si es como para una aplcación como la que se presenta en este informe el ultrasonido esta costando alrededor de unos 70.000 pesos y si se necesitan para un mayor alcance el precio sube considerablemente, pero la ventaja que se ofrece con este acople de ultrasonido es que puede llegar a salir mas barato que comprandolo el acondicionamiento ya hecho. VII. B IBLIOGRAFIA • • • •

B. 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).

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www.tecnun.es/asignaturas/robots/datasheets/Medidor%20ultrasonico% www.microcontroladores.com www.pdfcoke.com/doc/7833042/Detector-de-Movimiento www.arduino.cc/es/Tutoriales/SensorUltrasonidos www.apm-micro.net/component/virtuemart/?page=shop.browse&categ