Μέτρηση απόστασης με υπερήχους

Abstract

Σκοπός αυτής της διπλωματικής εργασίας είναι η μελέτη, σχεδίαση, προσομοίωση και κατασκευή μετρητικής διάταξης της απόστασης των αντικειμένων από αυτή χρησιμοποιώντας την τεχνολογία υπερήχων. Για τον προσδιορισμό της απόστασης μετράται ο χρόνος πτήσης ενός κυματοπακέτου υπερήχων από τη χρονική στιγμή εκπομπής του μέχρι και την επιστροφή του λόγω της ανάκλασής του στην επιφάνεια του εν λόγω αντικείμενου. Η όλη διάταξη ελέγχεται από τον μικροελεγκτή ATMega328 που βρίσκεται ενσωματωμένος στην πλατφόρμα ανοιχτού κώδικα Arduino. Για τον περιορισμό του σφάλματος λόγω της εξάρτησης της ταχύτητας διάδοσης των υπερήχων από τη θερμοκρασία του αέρα υλοποιείται μονάδα μέτρησης της θερμοκρασίας και ακολουθεί υπολογισμός της ακριβούς ταχύτητας διάδοσης. Ο μικροελεγκτής παράγει κυματοπακέτα τετραγωνικών παλμών υπερηχητικής συχνότητας 40 kHz, σε συγκεκριμένες χρονικές στιγμές, τα οποία ενισχύονται στη μονάδα εκπομπού τοπολογίας γέφυρας Η. Για τη λήψη του ανακλώμενου σήματος κατασκευάστηκε μονάδα δέκτη αποτελούμενη από βαθμίδα ενίσχυσης, φώρασης και συγκριτή. Η βαθμίδα ενίσχυσης περιλαμβάνει ενισχυτές σταθερής απολαβής, ζωνοπερατά φίλτρα καθώς και τελικό στάδιο ενισχυτή χρονικά μεταβαλλόμενης απολαβής ελεγχόμενο από τον μικροελεγκτή. Στην συνέχεια το σήμα υπόκειται σε πλήρη ανόρθωση και εφόσον η στάθμη του ξεπεράσει ένα κάτω κατώφλι ο συγκριτής εξάγει σήμα κατάλληλης στάθμης το οποίο αναγνωρίζεται από τον μικροελεγκτή. Ακολουθεί η μέτρηση του χρόνου πτήσης, ο υπολογισμός της απόστασης και τέλος η απεικόνιση της σε συσκευή απεικόνισης (οθόνη LCD Dot matrix). Η μετρητική διάταξη παρουσιάζει σχετικά σφάλματα μικρότερα του 2% για μετρούμενες αποστάσεις που κυμαίνονται μεταξύ ενός και πέντε μέτρων. Υπάρχει δυνατότητα μέτρησης είτε του πλησιέστερου αντικειμένου με μεγάλη ακρίβεια είτε πολλών αντικειμένων στο παραπάνω εύρος των αποστάσεων.

The scope of this diploma thesis is the design, simulation and construction of a distance measurement system implementing the ultrasonic technology. In order to measure the distance of an object, the time of flight of a square wave pulse is measured from the time of its emission until the time of its reception after being reflected on the object’s surface. The whole system is controlled by the microcontroller ATmega328 which is incorporated in the Arduino open source prototyping electronic platform. For the elimination of the measurement error due to the dependence of the sound speed to temperature, a temperature measurement subsystem is constructed which enables the exact sound speed computation at the ambient temperature which takes place in the microcontroller. The microcontroller generates square wave pulses at the ultrasonic frequency of 40 kHz at specific times which afterwards are driven to an amplifier with an H bridge topology. For the reception of the reflected ultrasound wave pulse there was constructed a receiver containing fixed gain amplifiers, inverting band pass filters as well as a time gain controlled amplifier at the final stage of amplification, controlled by the microcontroller. Then the amplified signal is fully rectified and if its voltage level overcomes a low threshold a comparator that follows generates sufficient voltage level which can be identified by the microcontroller. At the moment that the reflected pulse is identified by the microcontroller the time of flight is measured followed by the distance calculation. Finally, the result is shown on a dot matrix LCD screen. The distance measurement system works in the range of 1 up to 5 meters with an error below 2%. The measurement system can measure either the distance of the nearest object with high accuracy or the distance of many objects in the above distance range.