Ultraschall-Abstandsmesser mit LED-Anzeige UAM 1

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1 Bau- und Bedienungsanleiung lraschall-absandsmesser mi LED-Anzeige AM Technischer Kundendiens Für Fragen und Auskünfe sehen Ihnen unsere qualifizieren echnischen Miarbeier gerne zur Verfügung. Wir bien Sie um Versändnis, dass wir echnische Auskünfe nich elefonisch, sondern schriflich ereilen. Bie richen Sie Ihr Schreiben an: ELV Herrn Troe Posfach 000 D - Leer Reparaurservice Für Geräe, die aus ELV-Bausäzen hergesell wurden, bieen wir unseren Kunden einen Reparaurservice an. Selbsversändlich wird Ihr Gerä so kosengünsig wie möglich insand gesez. Im Sinne einer schnellen Abwicklung führen wir die Reparaur sofor durch, wenn die Reparaurkosen den halben Komplebausazpreis nich überschreien. Solle der Defek größer sein, erhalen Sie zunächs einen unverbindlichen Kosenvoranschlag. Bie senden Sie Ihr Gerä an: ELV Reparaurservice Posfach 000 D - Leer ELV Elekronik AG Posfach 000 D- Leer Telefon 0 /00 Telefax 0 /00- ELVjournal /0

2 Bau- und Bedienungsanleiung lraschall-absandsmesser mi LED-Anzeige AM Absandsmessung miels lraschall wird bereis vielfach angewende. Wir sellen eine einfach zu realisierende Absands-Mess- und Anzeigeschalung vor, die universell einsezbar is. Über eine LED-Kee wird der Absand eines vor dem lraschallsensor befindlichen Gegensandes angezeig. Messen mi Schallgeschwindigkei Denk man an das bequeme, berührungslose Messen von Enfernungen, fäll sicher nahezu jedem zuers Radar ein, ein Absandsmessverfahren, das sei dem zweien Welkrieg Sandard in der Lufund Seefahr is, um Enfernungen sowie Geschwindigkeien zu ermieln. Für kurze Disanzen ha sich jedoch in den lezen ca. 0 Jahren das lraschall-messverfahren eablier, das deulich einfacher und kosengünsiger zu realisieren is und zudem nich mi hochenergeischen Funkwellen arbeie. Besonders augenfällig sind dabei allgemein zugängliche Anwendungen wie lraschall-messgeräe für das Ausmessen von Räumen, wie das in Abbildung dargeselle DigiTape, Einparkhilfen für Auos (Abbildung ) oder Echoloe, Fishfinder bzw. Tiefenmesser auf Booen und Schiffen. Die dazu nowendige Sensorechnik is heue allgemein zugänglich und erschwinglich, sodass der Weg zum eigenen Experimen nich wei is. Da wir bereis in der lezen Ausgabe des ELVjournal ausführlich auf die Funkionsweise der lraschallsensoren eingegangen sind ( ELVjournal /00, S. bis ), wollen wir uns im Rahmen dieses Arikels allein der prakischen Anwendung dieser ineressanen Technik zuwenden und einen einfach realisierbaren Absandsmesser bauen, der bereis rech vielfälig einsezbar is. Er kann Enfernungen zwischen cm und 0 cm bereis rech genau erfassen und auf einer zehnsufigen LED-Skala mi ei- Technische Daen: AM Spannungsversorgung:.. 0 V - V Auflösung:... /// cm Messbereich:... cm bis 0 cm Sromaufnahme:... 0 ma Abmessungen:... x mm ELVjournal /0

3 Bild : Für das bequem zu ersellende Aufmaß haben sich solche lraschall- Messgeräe bereis fes eablier. ner Auflösung zwischen und cm zur Anzeige bringen. Eine prakische Anwendung wäre z. B. an der Garagenrückwand zum Einparken des Auos denkbar, um das Auo quasi zenimeergenau rückwärs einparken zu können. Dabei kann man das kompake Gerä so an der Garagenrückwand anbringen, dass die LED-Skala bequem im Außenrückspiegel sichbar is. Funkion ELVjournal /0 Die Funkion beruh auf der Eigenschaf der Luf, den Schall mi einer relaiv genau bekannen Geschwindigkei forzuleien. Relaiv deshalb, weil die Ausbreiungsgeschwindigkei sich mi der Lufemperaur änder. Während sich Lufschall bei 0 C mi genau, m/s forbeweg, sind dies bei C schon ca. 0 m/s. Dies spiel aber bei den hier beracheen, sehr kurzen Enfernungen kaum eine Rolle, die Verfälschung durch die mgebungsemperaur lieg wei unerhalb der Auflösungsschwelle der einfachen LED-Anzeige. In Glas z. B. breie sich Schall mi bis zu 00 m/s aus, in Wasser mi ca. 0 m/s. Hierfür sind allerdings spezielle, wei leisungsfähigere lraschallgeber erforderlich, die mi sehr hohen Spannungen und Impulsleisungen berieben werden. So arbeien bereis relaiv einfache Echoloe für Sporbooe mi Impulsleisungen von 00 W bis, kw, um Wasseriefen bis zu 00 m genau messen bzw. Fischschwärme oder einzelne Fische finden zu können. Für ein Bewegen in unbekannen Gewässern is solch ein Gerä aber roz der relaiv hohen Preise unabdingbar, will man keinen euren nerwasserschaden riskieren. Doch zurück zu unserem einfachen Absandsmesser. Der lraschallsender des Geräes sende ca. Mal pro Sekunde ein 0-kHz-Impulspake aus. Triff dieses Impulspake, das ja eine hochfrequene Schallwelle darsell, auf einen schallreflekierenden Gegensand, so wirf dieser den größen Teil der aufreffenden Schallleisung zurück (im Idealfall is dabei Einfallswinkel gleich Reflexionswinkel, siehe Skizze in Abbildung ). Dieses zurück kommende Impulspake wird vom lraschallempfänger aufgenommen, versärk und einer Auswereelekronik zugeführ, die in unserem Beispiel aus einer zehnselligen LED-Kee beseh. In anderen Anwendungen kommen hier enweder nummerische oder grafische LC-Displays zum Einsaz. Diese Auswerelekronik form den empfangenen Impuls zu einem je nach zurückgeleger Srecke, sprich unerschiedlicher Zei, die der Schallimpuls zwischen Senden und Empfangen benöig ha, ensprechend längeren oder kürzeren Impuls. Dieser wiederum seuer einen Zähler an, der ensprechend dieser Impulslänge für eine genau definiere Zei freigegeben wird, und als Resula seh eine genaue Enfernungsanzeige zur Verfügung. Nach diesem Prinzip arbeien die meisen lraschall-messgeräe, selbs die medizinisch eingesezen lraschall-nersuchungsgeräe, der wesenliche nerschied beseh lediglich in der Ar der Auswerung und Anzeige der Signale. Während im einfachsen Fall, ewa beim Auo- Bild : Typische Anwendung für die lraschall- Enfernungsmessung: Einparkhilfe für das Auo. Rückfahrwarner, lediglich unerschiedlich hohe Piepöne zur Ausgabe kommen, erfolg die Anzeige in der Arzpraxis nach aufwändiger Signalaufbereiung als fas schon dreidimensionales Bild auf einem Monior. Die Kompensaion von Dopplereffeken bei höheren Geschwindigkeien vernachlässigen wir bei unserer kleinen Schalung, wir wollen sehende oder nur langsam bewege Objeke messen und so den Schalungsaufwand senken. Neben dem rein prakischen Einsaz soll diese Absandsmesser-Schalung aber auch als Grundlage für eigene Experimene dienen, wofür u. a. ein Abgreifpunk für das Zeisignal des Echos zur anderweiigen Auswerung, z. B. über einen Compuer oder ein LC-Display mi vorgeschaleem Mikroprozessor, zur Verfügung seh. Schalung Bild : lraschallsensoren mi Hindernis S- Empfänger Messobjek S- Sender 000A Die Schalung (Abbildung ) beseh wie gesag im Wesenlichen aus folgenden Komponenen: lraschallsende- und Empfangssufe sowie einer Seuerelekronik mi der LED-Anzeige. Zenrales Elemen der Seuerelekronik is der Oszillaorbausein IC mi inegrierem Binäreiler. Die Oszillaorfrequenz von 00 khz wird durch den Keramikschwinger Q besimm. Der Binäreiler eil die Oszillaorfrequenz in er-poenzen, sodass z. B. am Ausgang Q (Pin ) die durch (= ) geeile Oszillaorfrequenz anseh. Dies sez sich bis zum Ausgang Q (Pin ) for, der einen Teilerfakor von, also die durch geeile Oszillaorfrequenz, bereisell. Der Rese-Eingang (Pin) is durch eine ND-Logik (D und D ) mi den Ausgängen Q und Q verbunden. Hierdurch ergib sich an Q ein High-Impuls von 0, ms Länge, wobei die Pause zwischen zwei High-Signalen (Low-Pegel) ca. ms beräg. Zur besseren Veran-

4 Bau- und Bedienungsanleiung ST B -V ST S S ST-0T Sender S S C0 ST-0R C C R 0K Empfänger 00n 00u V C 00n C 00n IN C TL0 IC 0 0p R 0K IC - A 0u V IC E C GND 00n OT C CD0 F IC C CD0 IC 0 D CD0 IC CD0 IC B CD0 C 0n 00n C C R 0K 0u V R K C0 C IC - p IC 0 & C n CD0 R K B TL0 R 0M Q 00kHz C R K R 0p K R R 0K p Frequenz K IC & A CD0 FY0 0 FY0 FY IC RESET D R 00K R 0R Oszillaor D R0 K CD00 Q Q Q Q Q Q Q0 Q Q Q N N BR LM Komperaor C 0u V cm cm cm cm BR BR BR BR R 0K R 0K C IC - A 00p C R K 00p D D IC CD00 N N RS-Flipflop IC & B Zähler IC CLK Load 0 /D P0 Q0 P Q P Q P Q CI Rese CD0 IC & D CD0 CD IC A CD0 C CO 00n IC TL0 C Speicher IC CLK D0 D D D 0 IE IE Rese 00n CD0 R IC LM R C Q0 Q Q Q OE OE - R IC LM 00n 0 A0 A A A R IC CD0 C R IC CD0 R0 R IC CD0 C 00n Q0 Q Q Q Q Q Q Q Q Q R R IC R D0 D D D D D D D D D TP Decoder IC CD B C 00n CD0 C 00n 000A IC CD0 C 00n 00n Bild : Schalbild des lraschall-absandsmessers schaulichung sind in Abbildung die wichigsen Logikpegel dargesell. Mi dem von Q (Pin, IC ) kommenden Signal wird so der aus IC A und IC C besehende Oszillaor für einen Zeiraum von 0, ms freigegeben. Dieser Oszillaor schwing auf einer Frequenz von 0 khz, die mi R eingesell wird. Die nachfolgenden Inverer IC B bis IC F seuern den lraschallsender S an und bewirken zusäzlich eine Spannungsverdopplung, um den lraschallgeber zu einer ensprechend kräfigen Schallabgabe zu bewegen. Anzumerken sei hier, dass die Brücke BR im normalen Berieb zwischen und geseck sein muss. Sie is nur zum Abgleich des 0-kHz-Oszillaors auf und zu secken. Reflekier nun ein Gegensand die ausgesendeen 0-kHz-Impulspakee, werden diese Echos mi dem lraschallempfänger S empfangen. Die beiden nachfolgenden Versärsufen IC A und IC B realisieren eine Gesamversärkung des Empfangssignals von 0 (, db). Die Kondensaoren C und C legen die obere Grenze der Bandbreie der Versärsufe fes. Der Arbeispunk für die OPs wird mi dem Spannungseiler R bis R fesgeleg. Das so ausreichend versärke Signal gelang auf den inverierenden Eingang (Pin ) des Komparaors IC A. Die Schalschwelle des Komparaors wird durch den Widersand R fesgeleg. Die Gleichspannung an Pin (IC ) lieg somi ca. 00 mv unerhalb dem Spannungspegel an Pin von IC. Sobald das empfangene Signal (Echo) eine besimme Ampliude erreich, schale der Ausgang (Pin ) des Komparaors von High- auf Lowpegel. Mi diesem Pegelwechsel (negaive Flanke) wird das aus den beiden NAND-Gaern aufgebaue RS-Flip-Flop IC B/D zurückgesez. Über C wurde das Flip-Flop zuvor durch das Freigabesignal von Q (IC ) gesez. Wie man in Abbildung erkenn, ensprich die Impulslänge (a) am Ausgang des Flip-Flops (TP ) der Zei, die der Schall zurückgeleg ha. Anzumerken sei hier, dass die empfangenen Echo-Signale nich exak recheckförmig sind, sondern geringfügig in der Ampliude anseigen. Hierdurch enseh eine geringfügige Verzögerung in der Auswereschalung, die dadurch kompensier wird, dass das Flip-Flop mi der abfallenden Flanke des Freigabesignals (Q, IC ) gerigger wird. Da wir ja den Absand messen, bzw. den Messwer auf einer LED-Kee anzeigen wollen, benöigen wir einen Zähler, der die Zei miss, die der Schall zurückgeleg ha. Dies geschieh mi IC, einem binären -Bi-Zähler des Typs CD. Am Clockeingang (Pin) von IC wird der Zählak zugeführ, der mi den Brücken BR bis BR so eingesell wird, dass sich alle // oder cm ein Takimpuls ergib. Die Zenimeerangaben beziehen sich auf den gemessenen Absand. Is z. B. die Brücke BR geseck, beräg der maximal angezeige Absand 0 cm (0 x cm) mi einer Auflösung von cm. Über das Freigabesignal von Q ( IC ) wird der Zähler IC (Pin ) zurückgesez. Da die Anzeige aus 0 LEDs beseh, soll der Zähler auch nur bis 0 (0 bis ) zählen. Der dezimale Zählersand 0 sieh in binärer Form an den Ausgängen Q 0 bis Q des Zählers wie folg aus: Q 0 = 0, Q =, Q = 0 und Q =. Dieser Zusand wird mi den beiden Dioden D und D ausgewere und durch ein High beim Er- ELVjournal /0

5 reichen des Zählersandes 0 am Eingang/CI (Pin, IC ) der Zähler gesopp. IC ha die Aufgabe, den Zählersand zwischenzuspeichern. Die Übernahme der Daen an den Eingängen D 0 bis D von IC in den inernen Zwischenspeicher (Q 0 bis Q ) erfolg durch einen Low- High-Übergang am Clockeingang Pin (IC ). Die Anseuerung übernimm das Signal vom Ausgang Pin des Flip-Flops (siehe auch Abbildung ). Das nachgeschalee IC wandel den binären Code in eine dezimale Darsellungsweise um. Mi den Ausgängen Q 0 bis Q 0 von IC wird jeweils eine der zehn LEDs angeseuer. Die Spannungsversorgung der Schalung erfolg über ST / aus einer unsabilisieren Gleichspannung von 0 - V, die mi IC zu einer sabilisieren Spannung von V umgesez wird. Nachbau Der Aufbau der Schalung erfolg auf einer einseiig zu besückenden Plaine mi den Abmessungen x mm und is auch für den Einseiger aufgrund der ausschließlichen Besückung mi bedraheen Bauelemenen einfach zu realisieren. Das Besücken beginn anhand von Sücklise, Besückungsplan bzw. -aufdruck und Plainenfoo mi den Drahbrücken, gefolg von den Widersänden und Dioden. Bei lezeren is die genaue Einbaulage zu beachen, der Kaodenring muss mi der ensprechenden Markierung im Besückungsdruck korrespondieren. Nach dem Besücken und Verlöen sind die übersehenden Drahenden auf der Löseie mi einem scharfen Seienschneider kurz abzuschneiden, ohne dabei jedoch die Löselle selbs zu beschädigen. Dies gil auch für die weiere Besückung. Als nächses sind alle Kondensaoren (außer den Elkos), der Trimmer R und die ICs zu besücken. Bei den ICs is ebenfalls auf die richige Einbaulage zu achen, die Markierung bzw. Aussparung des Gehäuses, die gegenüber Pin lieg, muss mi der ensprechenden Markierung im Besückungsdruck korrespondieren. Bevor nun der Spannungsregler IC besück und eingelöe wird, sind dessen Anschlüsse ca. mm vom Gehäuse enfern mi einer Flachzange gemeinsam um 0 Grad nach hinen abzuwinkeln und der Regler nach Einführen der Anschlüsse in die zugehörigen Bohrungen mi einer Schraube M x mm, Fächerscheibe und Muer liegend zu monieren. Ers danach erfolg das Verlöen der Anschlüsse. Als nächser Besückungsschri sind nun die Lösife, die Jumperleise BR bis BR, alle Elkos und der Keramikschwinger Q einzusezen und zu verlöen. Ferig aufgebaue Plaine des lraschall-absandsmessers mi zugehörigem Besückungsplan Sücklise: lraschall-absandsmesser mi LED-Kee Widersände: 0Ω... R 0Ω... R-R0 kω... R,kΩ...R, R0, R 0kΩ... R, R, R, R, R kω... R kω... R 00kΩ... R 0kΩ... R 0MΩ... R PT0, liegend, kω... R Kondensaoren: 0pF/... C, C pf/... C, C0 00pF/... C, C nf... C 0nF... C 00nF/... C, C, C, C, C, C, C, C-C, C 0µF/V... C, C, C 00µF/V... C Halbleier: 0...IC CD...IC CD0...IC CD0...IC CD0...IC CD00/Philips...IC CD0...IC TL0...IC LM... IC N...D-D LED, mm, ro...d-d0 Sonsiges: Keramikschwinger, 00 khz... Q ST-0R... S ST-0T... S Sifleise, x -polig...br-br Sifleise, x -polig... BR Lösife mi Lööse Jumper Zylinderkopfschraube, M x mm Muer, M Fächerscheibe, M cm Schaldrah, blank, versilber ELVjournal /0

6 Bau- und Bedienungsanleiung Auch bei den Elkos is unbeding auf die polrichige Besückung (am Bauelemen is der Minuspol gekennzeichne) zu achen. Nun erfolg die Besückung der Leuchdioden D bis D 0. Sie sind ebenfalls polrichig einzusezen. Der längere Anschluss is die Anode und gehör in die plusmarkiere Besückungsbohrung. Die LEDs sind mi einem Absand von mm (nerkane des Diodenkörpers) zur Plaine zu besücken. Den Abschluss der Besückungsarbeien bilde das Einsezen und Verlöen der lraschallgeber bzw. -Empfänger. Der Geber räg die Typenbezeichnung ST-0T, der Empfänger heiß ST-0R. Die Monage dieser beiden Elemene is enweder durch direkes Besücken auf der Plaine, das abgewinkele Anlöen über Lösife oder die vom Anzeigegerä abgeseze Monage über abgeschirmes Kabel (max. m) möglich, die sich ewa beim diskuieren Einsaz an der Garagenrückwand anbiee, um die Anzeige besser im Auge behalen zu können. Auch hier is die polrichige Monage zu beachen. Der isoliere Anschluss gehör in die im Besückungsdruck mi einem Doppelring markiere Bohrung. Da die eigenlichen lraschallschwinger im Gehäuse des Gebers/Empfängers mechanisch isolier monier sind, können beide Gehäuse bündig auf die Plaine aufgesez bzw. gemeinsam in ein eigenes Gehäuse eingekleb werden. Dami is die Besückung abgeschlossen, und die Baugruppe kann in Berieb genommen werden. Wie bereis angedeue, kann sowohl der Einbau in ein gemeinsames Gehäuse für Auswereelekronik und Geber/Empfänger als auch eine voneinander abgeseze Monage erfolgen. Zu beachen is dabei lediglich, vor dem Geber/Empfänger eine Öffnung mi dem Durchmesser des Bauelemens vorzusehen. Abgleich Der Abgleich beschränk sich im einfachen Fall auf eine genaue Einsellung des 0-kHz-Oszillaors. Dazu is das Gerä an eine Gleichspannungsquelle 0 - V anzuschließen, die mi maximal 0 ma belase wird. Hier biee sich ein kleines Seknezeil und bei nur gelegenlichem oder mobilem Einsaz ein Baerie- oder Akkupack an. So biee ein handelsübliches - V-NiCd-Akkupack oder ein kleiner -V- Blei-Gel-Akku Srom für viele Monae. An Pin 0 von IC C is ein Frequenzzähler im gewählen Bereich bis 00 khz anzuschließen und ein Jumper an BR auf die Anschlüsse und zu sezen. So arbeie der 0-kHz-Oszillaor im Dauerberieb. Pin IC Pin IC Pin IC TP Pin 0 IC Pin IC 0,ms ca. Perioden 0 khz a Bild : Die Impulsdiagramme veranschaulichen den Messablauf Seine Frequenz wird nun miels R auf genau 0 khz eingesell. Dies is die Nominalfrequenz der eingesezen lraschall- Bauelemene, die eine sichere Funkion gewährleise. Will man mi der Baugruppe eine maximale Reichweie erzielen, so is ein ewas aufwändigeres Abgleichverfahren, das ein Oszilloskop erforder, anzuwenden. Die lraschallwandler besizen eine sehr ausgepräge Resonanzkurve, deren Spizenwer nominal bei der Resonanzfrequenz 0 khz lieg. Will man die genaue, exemplarabhängige Resonanzfrequenz ermieln, schließ man ein Zweikanaloszilloskop mi Kanal an Pin von IC B und Kanal (der zur Triggerung dien) an TP an. Danach gleich man mi R auf den maximalen Empfangssignalpegel ab und erreich so die höchse Empfindlichkei bzw. Reichweie der Schalung. Exerne Signalauswerung Echo ms Übernahme des Zählersandes vom IC in den Speicher IC Über TP is das Zeisignal ennehmbar, das direk der Laufzei zwischen Ende der Aussendung des Impulspakees und Einreffen des Echos ensprich (siehe Abbildung ). Dami kann man miels geeigneer Auswereschalungen bzw. über ein Sofware-Programm (das z. B. auch in einem PIC unergebrach sein kann) ewa auch eine digiale Enfernungsanzeige über die gesame mögliche Reichweie der lraschallgeber/empfänger vornehmen lassen. Aber auch Experimene zur Geschwindigkeismessung sich for- oder heranbewegender Objeke sind möglich. In unserem Garagenbeispiel kann man ewa aus der Geschwindigkei des herannahenden Auos verschieden hohe Warnöne ableien, die den Fahrer bei schnellerem oder langsameren Heranfahren differenzier über die noch freie Srecke bis zur Wand warnen. So kann man mi diesem funkionssicheren Fronend die verschiedensen Anwendungen und Experimene ableien, je nach zu lösender Aufgabe. Sicherheishinweise Abschließend noch einige Sicherheishinweise zum Berieb des Absandsmessgeräes. Zunächs darf es nich im Bereich der STVZO berieben, also nich in Fahrzeuge eingebau werden, da es hierfür nich zugelassen is. Bei Berieb des Geräes solle man beachen, dass dieses nich dauernd auf Tiere geriche is, die die hochfrequenen, für sie hörbaren lraschallimpulse als Bedrohung empfinden und flüchen bzw. zumindes verängsig reagieren. Deshalb werden solche lraschallwandler ja auch als Wühlmaus- und Marderscheuche eingesez. Auch solle man keine Menschen längere Zei diesen Impulsen aussezen. Der Schall is zwar für uns unhörbar, ob es aber bei längerer Einwirkung zu Gesundheisbeeinrächigungen kommen kann, is nich bekann. 000A ELVjournal /0

7 Hinweisbla zum lraschall-absandsmesser (Arikel-Nr.: -) Auf der Leierplae mi der Nr. 00A fehl die elekrische Verbindung zwischen Pin von IC und der Schalungsmasse. - Abhilfe schaff eine Verbindung aus isolierer Schallize, die ensprechend dem Foo zwischen Pin und Pin von IC nach Abschluss der Besückungsarbeien einzulöen is. Lassen Sie hierbei die nöige Vorsich walen, dami kein Kurzschluss zu anderen Anschlüssen enseh. Hinweisbla Arikel-Nr.: -0 Y00V.0 ELVjournal /0

8 Bau- und Bedienungsanleiung ELV Elekronik AG Posfach 000 D- Leer Telefon 0 /00 Telefax 0 /00- ELVjournal /0