1.5.2 Ultraschall- Abstandsmessung

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Ein Ultraschallsender strahlt akustische Impulse aus. Die Auswerteelektronik (AE) steuert den Prozess und berechnet aus der Laufzeit der Impulse den Abstand zum Hindernis. S. Ein Hindernis reflektiert einen Teil der Impulse. AE. E. Ein Empfänger nimmt die Reflektierten Wellen auf. - PowerPoint PPT Presentation

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  • 1.5.2 Ultraschall- AbstandsmessungUltraschall- Abstandsmessung ist auch als Echolot oder Sonar bekannt. Prinzip: Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schallwellen ist von der Temperatur des Ausbreitungsmediums abhngig.Luft: = 0C v = 331,5 ms-1 = 15C v = 340 ms-1Glas: v > 5500 ms-1Wasser: v 1460 ms-1Echolot fr Wassertiefen bis 500 m bentigt eine Impulsleistung von 500 W bis 2,4 kW.Der zu entwickelnde Ultraschallsensor hat eine Impulsfrequenz von 66 Hz.Die Frequenz der Impulsschwingungen betrgt 40 kHz.Die Kompensation von Dopplereffekten bei hohen Geschwindigkeiten werden vernachlssigt.

  • Entwicklung des BlockschaltbildesKompa-ratorIC1US - OszillatorRS-FFDie Stromversorgung der einzelnen Baugruppen wurde nicht mit dargestellt.Zum Schaltplan:

  • Zwischenspeicherung des ZhlerstandesDer Zhlerstand wird periodisch in den Speicher eingeschrieben.Die bernahme der Daten erfolgt durch einen Impuls am CLK-Eingang.D.h., dass nach jeder einzelnen Messung der Zhlerstand neu in den Speicher eingeschrieben wird.zurckDecodieren des BCD - CodesIm Decoder erfolgt die BCD Dezimal Decodierung.Die 10 Ausgnge werden mit LEDs beschaltet.zurck

  • Dimensionierung des ZhlersMit dem Zhler wird die Laufzeit tL ausgewertet.Die Entfernung des Gegenstandes wird in 10 Stufen angezeigt, d.h. sie wird mit 10 LEDs abgebildet.Damit ist ein binrer 4-Bit-Zhler ausreichend.Mit dem Startimpuls wird der Zhler zurckgesetzt.Vom Oszillator gelangen vom Ausgang Q5 die Zhlimpulse in den CLK-Eingang des Zhlers.Q5 des Oszillators liefert Zhlimpulse mit der Frequenz 15,635 kHz und einer Periodendauer von 0,064 ms.Der Zhlerstand hat bei 9 seinen Endstand erreicht. Das entspricht der maximalen Reichweite s.Dieser Wert gilt fr den Hin- und Rcklauf des Signals.Die maximale Entfernung des Gegenstandes liegt dann bei ca. 10,575 cm. Der Fehler der Messung liegt bei etwa 5%. Die Schrittweite der Messung betrgt dann ca. 1 cm.Legt man Q6 des Oszillators auf den Eingang des Zhlers, erhlt man die doppelte Entfernung, weil die Frequenz halbiert und die Periodendauer verdoppelt wurde. Der Messbereich ist dann 20 cm.Fr die Oszillatorausgnge Q7 und Q8 verdoppelt sich die Reichweite jedes mal in gleicher Weise, also auf 40 bzw. 80 cm.Der Zhlumfang des Zhlers wird mit einem UND-Glied auf 10 festgelegt. Es setzt den Zhler bei Erreichen der 9 auf 0 zurck.zurck

  • Zusammenhang zwischen der Speicherzeit des FF und der Laufzeit des US-SignalsRS-FFZeitgleich mit dem Aussenden des US-Impulses wird das FF gesetzt.Das Echo des US-Impulses setzt das FF zurck.Usw., usf.Die an MP1 messbare Zeit tL ist die Laufzeit des US-Impulses fr den Hin- und Rcklauf. Sie ist der Entfernung des Gegenstandes proportional.Fr einen Gegenstand, der 0,2 m entfernt steht, lsst sich die Laufzeit wie folgt berechnen.v = 340 ms-1s = 2 0,2 m = 0,4 mBeispiel:Die weitere Aufgabe besteht darin, die Laufzeit so auszuwerten, dass sie angezeigt werden kann.zurck

  • RS - FlipflopDie Funktion des RS-FF besteht darin, die Zeit zwischen der Ausstrahlung des Impulses und dem Empfang der Reflektion festzuhalten.Nach der Laufzeit tL des US- Impulses vom Lautsprecher zum Hindernis und dem Echo vom Hindernis zum Mikrofon gelangt der Impuls vom Komparator an R und setzt das FF zurck.Die gesetzte Zeit des FF ist der Laufzeit des Impulses und damit der Strecke proportional.Dieser Vorgang wiederholt sich aller 16 ms, also mit einer Frequenz von etwa 62 Hz.

  • 10k180kUS-Mikrofon-ImpulsverstrkerDie 10p Kondensatoren begrenzen die obere Grenzfrequenz der Verstrker.KomparatorDer Spannungsteiler 47k, 220, 47k legt die Arbeitspunkte fr die OPs fest.Die nach Masse geschalteten Kondensatoren sind Siebkondensatoren.Der Komparator schaltet seinen Ausgang beim 1. verstrkten 40 kHz-Impuls nach H um. Die OPs arbeiten im invertierten Betrieb.Ein OP ohne Rckkopplung wirkt wegen seiner hohen Verstrkung als Komparator.Im Ruhezustand liegt der Ausgang des Komparators auf L.

  • Fr die Frequenz f der Ausgangsspannung Ua gilt:US Oszillator: f = 40 kHzzurckEs wird ein Kondensator mit C = 1 nF ausgewhlt.Das Tastverhltnis der Impulse soll 1 : 1 sein.

  • IC1: CMOS 406014-stufiger Binrzhler mit internem OszillatorDie Oszillatorfrequenz ist auf f = 500 kHz festgelegt.Die Frequenz f = 500 kHz wird heruntergeteilt und liegt an den Ausgngen Q1 bis Q14 an.Q14 besitzt den Teilerfaktor 214 = 16384.Die Frequenz f an Q14 betrgt:Fr die Periodendauer T gilt somit:Die Periodendauer betrgt 0,51 ms. Der Impuls hat dann eine Lnge von etwa 0,25 ms.Damit ergibt sich beim Tastverhltnis 1:1 eine Impulsdauer von etwa 16 ms.Ein UND-Glied realisiert, dass bei H an Q14 und an Q8 Zhler auf 0 gesetzt wird.Der Ausgang Q8 liefert Impulse mit f = 1,953 kHz.Funktion: Taktgenerator fr den Arbeitsrhythmus des Ultraschall-AbstandsmessersDanach dauert es ca. 16 ms, bis Q14 wieder fr 0,25 ms H-Pegel fhrt, Berechnung der Frequenzenzurck

  • CD 4060212223242526272829210211212213214Potenzen, durch die die Oszillatorfre-quenz geteilt werden muss248163264128256512102420484096819216384TeilerFrequenzen an den Ausgngen in kHz25012562,531,2515,6357,8133,9061,9530,9770,4880,2440,1220,0610,0313. Dezimalstelle gerundetOszillatorzurck