Radar ultradźwiękowy

Urządzenie okresowo emituje krótki ciąg impulsów o częstotliwości 40 kHz. Taka fala dźwiękowa rozchodzi się w powietrzu z prędkością ok 340 m/s i jeśli na swojej drodze trafi na przeszkodę o odpowiednich właściwościach, to część fali odbije się, a pewna jej porcja podąży także w kierunku, z którego przybyła. Po emisji fali urządzenie „nasłuchuje” i jeśli znajdzie odpowiednio silny sygnał będący echem wysłanej fali, to uznaje, że w zasięgu znajduje się jakiś obiekt. Możliwe jest ustawienie maksymalnego czasu oczekiwania na echo fali a więc także zasięgu działania. Na wykrycie obiektu urządzenie reaguje załączeniem przekaźnika na pewien regulowany czas.

Taki radar najlepiej reaguje na obiekty o twardej, płaskiej powierzchni dobrze odbijającej dźwięki. Radzi sobie także z wykrywaniem obiektów o gorszych właściwościach np. ludzka dłoń. Obiekty o porowatej, miękkiej powierzchni muszą mieć nieco większe wymiary, aby zostały wykryte.

Budowa

Schemat ideowy radaru ultradźwiękowego pokazano na rysunku 1. Tor nadawczy i odbiorczy są oddzielone, a urządzenie działa z dwoma czujnikami. Pierwszy prototyp działał z jednym czujnikiem, który pełnił funkcję nadawczo-odbiorczą, jednak takie rozwiązanie ograniczało dolną granicę zasięgu do około 30…40 cm. Radar po prostu nie wykrywał bliżej ustawionych obiektów.

Rysunek 1. Schemat ideowy radaru ultradźwiękowego

W torze nadawczym zastosowano podwójny driver tranzystorów MOSFET – układ MC33152. Tranzystory MOSFET w obwodzie bramki mają dużą pojemność (do kilku nF), więc układ sterujący taką bramką musi zapewnić jak najszybsze ładowanie/rozładowanie tej pojemności, a to wymusza zapewnienie dużej stromości zboczy sygnału oraz dużych prądów przełączania (nawet do kilku A). Dzięki tym cechom driver doskonale nadaje się do sterowania przetwornikiem piezoelektrycznym, który znajduje się w ultradźwiękowym czujniku samochodowym. Ponadto, driver konwertuje amplitudę sygnałów sterujących z 5 V do 12 V, a dzięki dwóm identycznym torom jest możliwe sterowanie przetwornika w sposób mostkowy. Te rozwiązania zapewniają emisję odpowiednio silnej fali ultradźwiękowej.

W torze odbiorczym znajduje się kilka bloków formujących odebrany sygnał. Pierwszy to ogranicznik amplitudy (D2 i D3), przedwzmacniacz (IC4A), filtr aktywny (IC4B) i na końcu prostownik (D4, D5). W przeciwieństwie do przetworników ultradźwiękowych „z siatką”, popularnych np. wśród modułów dla Arduino, czujniki stosowane w motoryzacji dają dużo słabszy sygnał, dlatego tor odbiorczy jest tak rozbudowany. Na wyjściu pojawia się impuls (fala) o amplitudzie kilku woltów w chwili nadawania w torze nadawczym oraz niewielki impuls o amplitudzie poniżej wolta w momencie odebrania odbitego echa. Sygnał trafia do przetwornika A/C wbudowanego w mikrokontroler, a wtedy program sterujący wyszukuje impuls (falę) o odpowiedniej szybkości narastania.

Pozostałe elementy urządzenia można podzielić na blok zasilania (IC1, C2), blok wykonawczy (T2, REL1), oraz blok sterujący z mikrokontrolerem IC3 i programem zawartym w jego pamięci.

Montaż i uruchomienie

Płytka urządzenia została zaprojektowana do montażu przewlekanego. Komponenty należy montować zgodnie z ogólnymi zasadami – jej schemat montażowy pokazano na rysunku 2. Zasilanie należy dołączyć do zacisków POW_AC (napięcie zmienne) lub POW_DC (napięcie stałe, zacisk „V” – plus, zacisk „G” – minus). Zaciski OUT_NO oraz OUT_NC to wyprowadzenia styków przekaźnika normalnie otwartych i normalnie zwartych. To złącza TX należy dołączyć jeden przetwornik ultradźwiękowy, który będzie pełnił funkcję nadajnika, a do złącza RX drugi przetwornik ultradźwiękowy, który będzie odbiornikiem. W przypadku odbiornika warto zachować polaryzację. Oplot przewodu to minus przetwornika – należy go dołączyć do zacisku oznaczonego „G”. Każdy czujnik samochodowy może pracować jako nadajnik lub odbiornik. Oba czujniki muszą być skierowane w tę sama stronę i ustawione w tej samej płaszczyźnie.

Rysunek 2. Schemat montażowy radaru ultradźwiękowego

Na płytce znajdują się trzy potencjometry miniaturowe. Potencjometr „REG” służy do regulowania wzmocnienia toru odbiorczego, czyli w efekcie – czułości urządzenia. Podczas uruchamiania należy ustawić go w położeniu środkowym. Ustawienie zbyt dużego wzmocnienia spowoduje wzbudzenie toru odbiorczego i w efekcie brak reakcji urządzenia. Potencjometr „TIME” służy do regulowania czasu załączania wyjścia, A „RANGE” do regulacji zasięgu działania. Dioda LED D7 miga co jakiś czas sygnalizując aktywność urządzenia oraz po każdym wykryciu obiektu. Dioda D8 odzwierciedla stan wyjścia. Jeśli dioda świeci, to przekaźnik jest załączony i zwarte są styki OUT_NO.

KS