УДК 63.4.023.4, 004.383.3

Ультразвуковое устройство измерения дальности на базе МК MCS51

Вагенлейтнер Анастасия Олеговна – студентка факультета Информационных технологий и электроники Пензенского государственного университета.

Копнов Даниил Вячеславович – студент факультета Информационных технологий и электроники Пензенского государственного университета.

Валяева Виктория Александровна – студентка факультета Информационных технологий и электроники Пензенского государственного университета.

Аннотация: В статье рассматривается разработка ультразвукового устройства измерения дальности с частотой излучения 50 кГц и дальностью действия 0,2-5 м на базе микроконтроллера MCS51.

Разрабатываемый дальномер может найти применение как в повседневной жизни: в качестве электронной рулетки при строительстве, в проектах автоматизации технологических объектов, при создании роботов и др.; так и в области вооружения: данное устройство можно использовать для измерения расстояния между целью и боеприпасом.

Современные промышленные дальномеры являются достаточно дорогостоящими, а применительно к боеприпасной области еще и габаритными, поэтому разработка такого устройства на отечественной элементной базе является актуальной задачей.

Ключевые слова: микроконтроллер, ультразвуковой дальномер, алгоритм работы, ассемблер, структурная схема.

Ультразвуковое измерение расстояния является широко применяемым методом в различных областях науки и техники. Оно основано на использовании ультразвуковых волн, которые распространяются через среду и отражаются от преграды, после чего регистрируются и анализируются для определения расстояния до объекта.

Ультразвуковое измерение расстояния — относительно недорогой бесконтактный метод определения расстояния/дальности с высокой точностью. В нем используются звуковые волны с частотами в диапазоне 40–100 кГц [1].

Общий принцип измерения расстояния с помощью ультразвуковой волны иллюстрирует рисунок 1.

Рисунок 1. Измерение расстояния с помощью ультразвука.

Принцип измерения достаточно прост: исходя из скорости звука в данной среде, известной заранее, время, за которое ультразвуковая волна доходит до преграды и возвращается обратно, позволяет рассчитать расстояние между излучателем и объектом. Для этого используются специальные ультразвуковые датчики, которые генерируют и принимают ультразвуковые импульсы. Расстояние (L) можно рассчитать на основе скорости ультразвука (c) в определенной среде и времени прохождения (t) ультразвуковых волн, связанного с фактором изменения скорости звука в данной среде при данных условиях, а именно [2]:

Деление пополам позволяет учесть, что сигнал проходит измеряемое расстояние дважды.

С учетом возможностей современной техники, схему ультразвукового дальномера рациональнее всего организовать на базе микроконтроллера.

Ультразвуковой дальномер должен включать в себя следующие блоки:

• блок излучения ультразвукового сигнала, который формирует пачки из 8 импульсов с необходимой частотой;
• блок приема ультразвукового сигнала, который отвечает за регистрацию отраженных импульсов;
• блок обработки информации, в котором производится подсчет времени, за которое сигнал проходит то или иное расстояние, а также формируются импульсы ШИМ;
• источник питания, который обеспечивает все остальные блоки необходимым питающим напряжением.

Таким образом, готовый прибор будет представлять собой совокупность данных блоков, объединенных в одном корпусе, который, кроме того, будет иметь вывод для считывания ШИМ-сигнала другими устройствами. Необходимость в наличии органов управления и индикации отсутствует.

Структурная схема ультразвукового измерителя дальности представлена на рисунке 2.

Рисунок 2. Структурная схема ультразвукового дальномера: МК – микроконтроллер, ИП – источник питания, T (transmitter) – излучатель (передатчик) ультразвукового датчика, R (receiver) – приёмник ультразвукового датчика.

Излучатель включает в себя электронный ключ, генератор колебаний и усилительный выходной каскад, с выхода которого выдаётся напряжение, требуемое для возбуждения пьезокерамического элемента (рис. 3). Генератор предварительно настраивается на резонансную частоту ультразвукового преобразователя [3].

Рисунок 3. Схема ультразвукового излучателя.

После расчета номиналов элементов, схема излучателя была смоделирована в программном пакете Tina-Ti. Для эмуляции сигнала, поступающего с микроконтроллера на вход схемы был поставлен генератор прямоугольных импульсов с частотой 50 кГц (рис. 4)

Рисунок 4. Эмуляция входного сигнала.

Сигнал, полученный на выходе схемы излучателя представлен на рисунке 5.

Рисунок 5. Моделирование выходного сигнала схемы излучателя.

Приёмник состоит из фильтра, усилительного каскада на ОУ, диодного детектирования и компаратора. Сигнал, принимаемый от ультразвукового преобразователя, может иметь амплитуду в диапазоне от нескольких микровольт до нескольких вольт. Этот сигнал демодулируется, детектируется и только затем полученная огибающая усиливается. Амплитуда огибающей сравнивается с предварительно установленным порогом на компараторе; в случае когда пороговое напряжение превышено, на выходе возникает импульс, равный по амплитуде напряжению питания, и передаётся для обработки в электронную схему.

В нашем случае воспользуемся двухкаскадным усилителем (рис. 6), который позволит добиться требуемого коэффициента усиления, и при этом избавиться от инверсии сигнала [4].

Рисунок 6. Двухкаскадный усилитель в схеме приемника.

Схема компаратора представлена на рисунке 7. Конденсатор С6 представляет собой блокировочный конденсатор по питанию и выбирается емкостью 0,1 мкФ. Поскольку выход компаратора представляет собой схему с открытым коллектором, резистор R9 необходимо включить в схему для подтяжки к питанию.

Рисунок 7. Схема компаратора напряжения.

Резисторы R7 и R8 служат для задания гистерезиса на компараторе. Зададим VREF = 0,2 В. Тогда соотношение данных резисторов выведем из следующего соотношения:

После расчета номиналов элементов, схема приемника также была смоделирована в программном пакете Tina-Ti. Для эмуляции сигнала, поступающего из внешней среды на вход схемы был поставлен генератор синусоидальных импульсов с частотой 50 кГц и амплитудой 5 мА (рис. 8).

Рисунок 8. Эмуляция входного сигнала.

На рисунке 9 красным цветом изображен сигнал на выходе приемного блока после обработки, т.е. сигнал который поступает непосредственно на микроконтроллер [5].

Рисунок 9. Выходной сигнал схемы приемника.

Дальномер будет функционировать по следующему алгоритму :

В первую очередь выполняется инициализация необходимых для дальнейшей обработки информации устройств микроконтроллера и системы прерываний.

В начале основного алгоритма происходит генерация первых 8 импульсов с частотой 50 кГц. Далее их генерация будет происходить с определенной периодичностью (рис. 10), независимо от основной программы. Периодичность задается таймером-счетчиком 0 (Т/С0). Потом запускаются таймер-счетчик 1 (Т/С1) и таймер-счетчик 2 (Т/С2), отвечающих за отсчет максимального (время, которое соответствует возвращению сигнала, отраженного от объекта, расположенного дальше 5 метров от дальномера) и минимального (время, которое соответствует возвращению сигнала, отраженного от объекта, расположенного ближе 20 сантиметров от дальномера) времени соответственно. Далее основная программа останавливается на ожидании прихода отраженных импульсов.

Рисунок 10. Формирование пачки импульсов.

Регистрация отраженных импульсов будет происходить по перепаду напряжения на порту P3.2, к которому подключен приемник сигнала. Когда микроконтроллер зафиксирует приход всех 8 импульсов, он остановит Т/С1 и выполнит проверку на окончание минимального времени. Если минимальное время еще не вышло, последует возвращение к основному алгоритму и генерация новой пачки импульсов по прерыванию от Т/С0. Если же оно вышло, во внешнем прерывании от INT0 выставится 0 напряжение на порт P2.0, соответственно уменьшится длительность импульса ШИМ. Длительность ШИМ таким образом становится обратно пропорциональна измеряемому расстоянию от дальномера до объекта (рис. 11).

Рисунок 11. Формирование импульсов ШИМ при наличии отраженных сигналов.

Если по истечению максимального времени, отсчитываемого Т/С1, на порту P3.2 не было зарегистрировано 8 импульсов, то происходит возврат в основной алгоритм программы и формирование новой пачки из 8
импульсов [6]. Также по прерыванию Т/С1 выставляется 0 напряжение на порт P2.0, и, тем самым задается длительность ШИМ-импульсов при отсутствии сигнала (рис. 12).

Рисунок 12. Формирование импульсов ШИМ при отсутствии отраженных сигналов.

Сами импульсы будут формироваться программой с помощью машинных циклов. Это реализуемо благодаря тому, что формируемые импульсы имеют высокую частоту, и, следовательно малый период следования, вычисляемый по формуле:

.

Основной алгоритм программы содержит инициализацию и формирование первой пачки импульсов. Дальнейший алгоритм реализуется с помощью подпрограмм прерывания [5].

Таким образом, была спроектирована схема ультразвукового устройства измерения расстояния, рассчитаны необходимые номиналы элементов, написана программа для микроконтроллера. Кроме того, была проверена работоспособность программы в среде Keil uVision5 и проведена ее отладка.

Список литературы

1. Акустический контроль. В 2 ч. Ч.2. Физические основы ультразвуковой дефектометрии: учебное пособие / А.Ф. Зацепин. – Екатеринбург: ГОУ ВПО УГТУ–УПИ, 2006 – 117 с.
2. Бояркин Е.В., Кочетков А.С., Бехер С.А. Физические основы ультразвукового контроля. Руководство по подготовке к экзамену. Учебное пособие – Новосибирск: Изд-во СГУПС, 2018. – 38с.
3. Котюк А. Ф. Датчики в современных измерениях. - М.: Радио и связь, Горячая линия - Телеком, 2006. - 96 с: ил. - (Массовая радио-библиотека).
4. Микроконтроллеры семейства MCS-51: Архитектура, программирование, отладка: Учеб. пособие / Ю. П. Соколов, Рязан. гос. радио-техн. акад. Рязань, 2002. 72 с. ISBN-5-7722-0200-6.
5. Микроконтроллеры семейства MCS-51. Теория и практика: учебнометодическое пособие / Е.В. Моисейкин.— Екатеринбург : Изд-во Урал. ун-та, 2017.— 144 с.
6. Степаненко Д.А. применение компьютерных методов для проектирования элементов ультразвуковых колебательных систем. наука и техника. 2009;(2). С.52-56.