0

ELEKTRONSKI FAKULTET

NIŠ

Sistemi za akviziciju podataka Projektni zadatak

Ultrazvučni senzori

Profesor: Branislav Petrović Studenti:

________________________ Miloš Jovanović 12227

Aleksandar Đorđević 12190

NIŠ, jun 2012

1

1. Uvod

Ultrazvučni senzori predstavljaju idealno rešenje za beskontaktno merenje rastojanja u svim oblastima industrije gde sredina, kao što je prašina, dim ili para, mogu da utiču na merenje. Pri tome objekti od različitih materijala se mogu detektovati sa velikom preciznošću u merenju. Opsezi merenja variraju od nekoliko milimetara do desetak metar bez izmena na mernom uređaju. Ultrazvučno merenje rastojanja se tipično koristi za: merenje nivoa tečnosti, brojanje objekata na proizvodnoj liniji, identifikovanje prekida u provodnicima, navigaciju i izbegavanje prepreka kod robota ili merenje rastojanja između zidova.

Tipičan ultrazvučni sistem za merenje rastojanja radi na principu slanja zvučnog signala i očekivanju da dobije eho. Zvučni talas se prenosi od predajnika i posle odbijanja od objekta vraća eho do prijemnika. Ako je poznata brzina zvuka, rastojanje objekta može da se izračuna na bazi vremena koje protekne od trenutka emitovanja do prijema reflektovanog zvuka. Iako je princip određivanja rastojanja jednostavan postoji čitav niz ograničavajućih faktora o kojima se mora voditi računa pri projektovanju ovakvih uređaja. Pri tome je naorčito značajna širina zvučnog snopa koji se šalje ka objektu, jer kod zvuka veoma brzo dolazi do divergencije talasa. Kvalitetni sistemi za akviziciju podataka mogu maksimalno da uproste priključenje spoljnih signala na njih. Pa ipak je potrebno da korisnik ima bar osnovno znanje o vrstama signala, pretvaračima i načinu kako da ih upotrebi.

Ovaj tekst opisuje od čega se najčešće sastoje signali u praksi, i kako ih sistem za akviziciju obrađuje. Savremena merenja se često baziraju na pretvaranju fizčkih veličina u električni signal. Pojačanje i obrada tog električnog signala, prenos na daljinu kao i očitavanje rezultata su vremenom usavršavani. To pretvaranje fizikalnih veličina u električni signal vrši se pomoću različitih pretvarača za koje se u novije vreme ustalio termin senzor.

Na kraju treba naglasiti da su ovakva rešenja i prilično jeftina, jer je tehnologija generisanja i detektovanja ultrazvučnih talasa dobro razvijena.

2

2. O senzorima

Senzor je uređaj koji meri fizički kvantitet i konvertuje ga u signal kojeg može

očitavati posmatrač ili instrument. Senzori imaju široku primenu u svakodnevnom životu: kod ekrana osetljivih na dodir, kod vrata i liftova u javnim objektima, kod osvetljenja i alarma, automobila, aviona, medicinskih uređaja, robota, industrijskih mašina i drugde.

Indikator senzora pokazuje promene izlaznih veličina u odnosu na merene veličine. Senzori koji mere precizne veličine zahtevaju veću osetljivost. Tehnološki napredak omogućio je izradu senzora sa detaljima mikrometarskih dimenzija. Oni koriste MEMS tehnologiju i nazivaju se mikrosenzori.

Senzor je uređaj koji prima signal i reaguje na njega, koji se zatim konvertuje u električni signal.

Signal tako konvertovan može biti korišten dalje u elektroničkim uređajima. Senzori mogu biti veoma osjetljivi, zavisno od namene. Dobar senzor je osjetljiv na merenu osobinu, ujedno je neosetljiv na bilo koju drugu nebitnu a prisutnu osobinu. Senzor ne utiče na merenu veličinu.

Sredstva za dobijanje informacija u sistemima automatskog upravljanja daju informacije o kvalitativnim i kvantitativnim karakteristikama procesa što se odvijaju u upravljanom objektu, kao i u samom upravljačkom sistemu. Za upravljanje tehničkim sistemima od posebne su važnosti informacije o ponašanju osnovnih parametara: temperature, protoka, nivoa, pritiska, vremena, položaja itd. Uopšteno govoreći, troškovi za dobijanje informacija u sistemu automatskog upravljanja dosta su veliki. Ovi troškovi čine oko trećine ukupne cene sistema. Dobijena informacija u sistemu upravljanja obrađuje se po nekom algoritmu kako bi se proces odvijao na željeni naćin. Nagli razvoj akvizicionih sistema počeo je merenjem fizičkih veličina električnim putem.

Nagli razvoj akvizicionih sistema počeo je merenjem fizičkih veličina električnim putem. Prednosti električnih merenja su: visoka osetljivost, tačnost, brzina i pouzdanost, laka indikacija i prenos signala, mala potrošnja energije i opterećenje posmatranog procesa. Senzori ne funkcionišu samo stalno, već su generalno gledano deo većeg sistema koji sadrži kondicionere signala kao i različita analogna i digitalna kola za obradu signala.

Sistem može biti merni sistem, akvizicioni sistem, ili sistem kontrole procesa.

Za razliku od većine drugih komponent i elektronskih sistema, koje imaju poznate i stabilne karakteristike u datim granicama, senzori su elementi koji se mnogo teže koriste. Najčešće, vrlo slab signal koji generišu, kao i ceo niz izraženih odstupanja od idealnih karakteristika inžinjerima predstavljaju teško rešiv problem. Često uticaj temperature može da premaši osetljivost na merenu veličinu, a projektant sistema mora da vodi računa i o izlaznoj impedansi, histerezisu, uticaju napajanja, samo zagrevanju, driftu, ofsetu itd.

Ulazne veličine su najčešće neelektrične. Merenje neelektričnih veličina kao što su pomeraj, temperatura, sila, pritisak, vibracije, protok fluida i drugih, ima veliki značaj u naučnoj i tehničkoj praksi, a posebno u industriji. Među različitim metodama koje se danas

3

primenjuju nesumnjivo najveći značaj imaju metode merenja električnim putem. Primenjuju se elektronski instrumenti za merenje neelektričnih veličina, koje karakterišu osobine kao što su visoka tačnost, brzo i jednostavnoo čitavanje mernih rezultata i relativno mali uticaj spoljašnjih ometajućih faktora na rad instrumenta. Da bi se koristile električne metode merenja, vrši se konverzija neelektričnih veličina u električne signale pomoću uređaja koji se zove ulazni merni pretvarač ili najčešće samo merni pretvarač. Merni pretvarač predstavlja glavni i osnovni element ulaznog uređaja instrumentacionog sistema, pa i celog mernog sistema.

Tipovi senzora:

• Toplotni • Elektromagnetni

• Mehanički • Hemijski • Optički

• Akustični

3. Merno-akvizicioni sistemi

Akvizicija podataka je proces pomoću koga fizički fenomeni iz realnog sveta se transformišu u električne signale koji se mere i konvertuju u digitalni format za potrebe procesiranja, analize, i memorisanja od strane računara.

Akvizicija podataka (DAS) seobično bavi konvertovanjem analognih vrednosti u digitalne vrednosti, koji su pogodni za dalju obradu.

Jedan akvizicioni sistem uključuje:

• Sezori - koji pretvaraju fizičke parametre u električne signale, • Signalna kola - koja prilagođavaju analogne signale za konverziju u digitalne, • Analogno-digitalni konvertori - koji pretvaraju pretvaraju analgone vrednosti u

digitalni signal.

Kod najvećeg broja aplikacija DAS (Data Acquisition System) je projektovan ne samo da prikuplja podatke nego i da preuzima odgovarajuće upravljačke akcije. Zbog toga definicija DAS-a treba da se proširi ne samo na aspekte pribavljanja nego i na upravljanje radom sistema. Prikupljeni podaci se kontrolišu od strane softverskih programa koji su razvijeni u porgramskim jezicima kao što su: C++, C#, Vusual C, LabView…

Kvalitetni sistemi za akviziciju podataka mogu maksimalno da uproste priključenje spoljnih signala na njih. Pa ipak je potrebno da korisnik ima bar osnovno znanje o vrstama signala, pretvaračima i načinu kako da ih upotrebi. Ovaj tekst opisuje od čega se najčešće sastoje signali u praksi, i kako ih sistem za akviziciju obrađuje.

Pod merno-akvizicionim sistemom, za potrebe ovog rada, se može podrazumevati elektronski instrument, ili grupa međusobno povezanih elektronskih hardverskih

4

komponenti, namenjenih za merenje i kvantizaciju analognih signala i prihvatanje digitalnih podataka, u cilju dalje analize ili obrade. Kod digitalnih merno-akvizicionih sistema, pretvarači mogu biti i digitalni i analogni. U slučaju digitalnih mernih pretvarača, digitalna informacija o merenoj veličini se obično prenosi do mikroprocesorskog sistema u čijem jezgru su mikrokontroler ili DSP procesor.

Mikroprocesorski sistem dalje šalje informacije ka računaru gde se podaci obrađuju, skladište i prezentuju. U slučaju analognih pretvarača, merno-akvizicioni lanac je praktično identičan. Razlika je što mikroprocesorski sistem sadrži i analogno-digitalni konvertor ili se upotrebljavaju mikrokontroleri ili DSP procesori sa integrisanim A/D konvertorom. A/D konvertor je neophodan za pretvaranje analognog signala pretvarača u digitalni oblik.

U zavisnosti od vrste i snage izlaza pretvarača, u svrhu potrebe prilagođavanja merenog signala ulazu A/D konvertora, često se koriste i elektronska kola za kondicioniranje signala.

Informacije se u suštini dobijaju merenjem fizikalnih veličina koje karakterišu ponašanje procesa. Merni uređaji pomoću kojih se u sistemu automatskog upravljanjadobijaju informacije su: senzori, transđuseri i merni pretvarači.

5

3.1 Merni pretvarači Nezavisno od vrste posmatranog fenomena, ili uređaja kojim se upravlja, pretvarači

igraju vitalnu ulogu u sistemu za akviziciju. To su uređaji koji pretvaraju fizičke veličine u električne. Sistemi za akviziciju podataka i upravljanje koriste kako ulazne tako i izlazne pretvarače. Ulazne fizičke veličine mogu da budu sila, temeperatura, dužina, brzina, nivo pH, intezitet svetlosti, itd. Izlazni signali mogu da upravljaju ventilima, relejima, svetiljkama, zvučnim sirenama, motorima itd.

Merenje veličina kojima se predstavlja stanje nekog tehnološkog procesa se po pravilu zahteva transformaciju nosioca informacije. Deo mernog lanca koji jednu veličinu pretvara u drugu veličinu naziva se merni pretvarač.

Električni ekvivalenti ulaznih veličina mogu da budu napon, struja, naelektrisanje, otpornost ili kapacitivnost. Kao što će se kasnije videti, ove fizičke veličine se na razne načine pretvaraju u naponski signal. Ovo je važno zbog činjenice, što većina osnovnih elemenata koji sačinjavaju sistem za akviziciju i upravljanje, rade samo sa naponom.

Uloga pretvarača se često svodi na pretvaranje jedne električne veličine i vrednosti u drugu električnu veličinu i vrednost koja je pogodnija za direktno merenje. Primeri ovoga se mogu naći npr. u merenju napona u distributivnim elektroenergetskim mrežama, ili u merenju koncentracije gasova. Ulazak mikroprocesorske tehnologije u proizvodnju mernih pretvarača omogućio je veću funkcionalnost, kao što je mogućnost ugradnje inteligentne i digitalne komunikacije u pretvarače.

Tradicionalno, izlazi iz senzora su analogni signali koji se dalje vode u neki instrumentacioni sistem ili se direktno prikazuju (npr. na nekom displeju), a prebacivanje senzora iz analognog u digitalni domen je donelo bitne prednosti za korisnike. Npr. digitalni senzori su mnogo otporniji na električne šumove i mogu znatno da uproste svoje šeme povezivanja.

Sa stanovišta prirode merene veličine, svi vidovi energije mogu se grupisati u šest oblasti prikazanih na slici 1.

Slika 1. Opšta blok šema mernog sistema

6

3.2 Klasifikacija mernih grešaka

Idealan senzor je onaj koji je lineran u celom opsegu merenih vrednosti. Trebalo bi da je dobijeni signal uvek linearno srazmeran merenoj vrednosti. Pri tome na njega ne bi smeo da ima uticaj nijedan drugi objekat u okruženju, niti bi on smeo da ima ikakav uticaj na mereni objekat. To je u praksi neostvarivo. Zato se meri njegova osetljivost kao odnos između izmerene i stvarne veličine.

Odstupanja koja se javljaju kod različitih vrsta senzora su:

� Osetljivost može kod pojedinih senzora biti različita tj. varirati kod različitih veličina. To zovemo greška osetljivosti.

� Opseg dobijenih veličina je uvek limitiran, tako da će jedan senzor dati svoju maksimalnu, odnosno minimalnu vrednost u slučaju da su izmerene vrednosti izvan punog opsega senzora.

� Offset - Ako dobijena veličina nije nula, kada je merena veličina nula kaže se da senzor ima pomeraj.

� Kada osetljivost nije konstantna za različite izmerene vrednosti, to nazivamo nelinearnost. Ona se obično javlja na krajevimia opsega merenja.

� Devijacija koja se javlja zbog velikih promena merenih veličina naziva se dinamička greška.

� Ako izlazni signal menja otpornost merenog objekta to nazivamo pomak (drift) � Vremenski otklon - javlja se usled dugotrajnog korišćenja senzora � Šum (eng. noise) - nepredvidive devijacije u signalu tokom vremena � Histerezis je greška koja se javlja kada se promenom položaja merenog objekta dobijaju

različite i neodgovarajuće vrednosti na izlazu. � Kod senzora sa digitalnim izlazom obavezno dolazi do aproksimacije dobijenih veličina i

to je greška aproksimacije ili greška digitalizacije. � Senzori u nekim slučajevima mogu biti ometeni delovanjem merenog objekta, recimo

njegovom temperaturom ili zračenjem.

Sve ove greške mogu se podeliti na sistemske greške i slučajne greške.

Sistemske greške se predupređuju različitim vrstama kalibracije, dok se slučajne greška kao što su različite vrste šumova smanjuju procisiranjem signala, filtracijom i sl.

7

3.3 Vrste signala Možemo definisati tri vrste naponskih signala: analogni, digitalni i impulsni.

Mada se svi signali vremenski menjaju, jedino analogni signali nose dodatnu informaciju u varijacijama amplitude. Impulsni signali koji se ovde sreću su po mnogo čemu slični digitalnim signalima: imaju stalnu amplitudu i samo dve moguće vrednosti (niski i visoni nivo).

Na primer, ovi nivoi mogu da budu 0 V i +5 V (uprošćeno, TTL). Opsezi u kojima niski i visoki nivoi TTL signala mogu da budu su:

niski nivo: 0,0 ÷ 0,8 V visoki nivo: 2,0 ÷ 5,0 V

Mogu da se upotrebe i drugi nivoi, kao npr. 24V ili 220V. Za analogne signale je važno "koliki" je trenutni nivo signala, dok je za digitalne signale važno "da li uopšte" postoji signal ili ne. Razlika između digitalnih i impulsnih signala zavisi od informacije koju nose i od vrste hardvera koji se koristi. Digitalni signali se još zovu "diskretni" signali. Digitalni signali mogu da se menjaju velikom brzinom, i informacija je obično sadržana u statičkom stanju bita, odnosno grupe bitova, u određenom trenutku. Informacija koju impulsni signal nosi je sadržana u broju ili brzini promena stanja (impulsa/sekundi).

Analogni signali se pretvaraju u digitalne (binarni broj) pomoću sistemskog analogno-digitalnog konvertora. Analogni izlazni signali se generišu pomoću sitemskog digitalno-analognog konvetora. Analogni ulazni signali obično dolaze iz nekog predpojačavača, gde se primarni signal iz senzora kondicionira, pojačava i dalje vodi u sistem za akviziciju. Većina prekondicioniranih signala su relativno visoke impedanse, čiji su naponi u opsegu od ±1 V do ±10 V.

Mnogi primarni senzori, kao što su: termoparovi, fotonaponski elementi, piezoelektrični senzori i biomedicinski senzori, proizvode male signale koji mogu da imaju maksimalni opseg od 10mV. Kvalitetan sistem za akviziciju bi sa lakoćom morao da prihvati (obradi) kako signale malih, tako i signale velih amplituda.

8

4. Ultrazvučni senzori

Ultrazvučni senzori predstavljaju idealno rešenje za beskontaktno merenje i merenje rastojanja u svim oblastima industrije gde sredina, kao sto je prašina, dim ili para, može uticati na merenje. Objekat od rezličitih materijala se mogu detektovati u milimetar, bez obzira na boju i oblik.

Ultrazvučni senzor poizvodi nosioca informacija veoma visoku frekvenciju, koja je van opsega ljudskog sluha. Vreme koje je potrebno ultrazvučnom talasu da prođe između senzora i objekta je vrednost rastojanja ili pozicije. Ultrazvučni senzori su dokazali svoje performance i preciznost u mnogim granama industrije, uključujući industriju nameštaja, građevinskog materijala i u aplikacijama merenja nivoa.

Na slici 2 je prikazan zvučni konus koji stvara ultrazvučni sensor

Slika 2. Zvučni konus koji stvara ultrazvučni sensor

9

Na slici 3 je prikazan zvučni zid u ravni senzora pri detekciji objekta

Slika 3. Zvučni zid u ravni senzora pri detekciji objekta

Osnovni elementi ultrazvučnog senzora blizine su: ultrazvučni primopredajnik, uređaj za formiranje izlaznog signala i pojačivač.

Sistem za ultrazvučno merenje rastojanja zasniva se na merenju vremena koje protekne od trenutka slanja ultrazvučnog signala do trenutka njegovog prijema.

10

5. Projektni zadatak

Osnovni zadatak projekta, koji je predmet ovog seminarskog rada je ispitivanje mogućnosti merenja daljine pomoću ultrazvuka i realizacija odgovarajućeg uređaja. Od zamisli do gotovog rešenja prošlo se kroz više faza kako u procesu projektovanja tako i procesu izrade.

U radu su izloženi osnovni principi za definisanja sistema za merenje i akviziciju podataka u okviru realizovanog uređaja za merenje rastojanja.

Princip merenja se zasniva na merenju vremenskog interval između poslatog i primljenog signala koji se šalje i prima ultrazvičnim senzorom. Znajući brzinu kretanja ultrazvuka, lako možemo izračunati udaljenost prepreke.

Na sledećoj slici 4 je dato moguće rešenje projektnog zadatka.

Slika 4. Shematic projektnog zadatka

Ceo sistem se sastoji iz bloka za napajanje, mikroprocesora, displeja, filtra, pojačavača, i svaki od blokova će biti posebno opisan.

11

Na slici 5 je prikazan blok za napajanje, gde se preko konektora J2 dovodi DC(9V), zatim se preko naponskog regulatora LM7805 obezbeđuje DC(5V) za napajanje HEF4053B i displeja, a preko LM317 se obezbeđuje DC(3.2V) za napajanje mikroprocesora.

Slika 5. Blok za napajanje

Za prikaz podataka korisčen displej Hitachi hd44780 2x16, u 8-bitnom režimu rada.

Slika 6. Izgled shematic-a za sa mikropoceosrom napajanjem i JTAG-om

12

Na slici 6 prikazan je mikroprocesor C8051F310, koji je korišćen za generisanje PWM signala, kao i za obradu dobijenih signala. Osnovne karakteristike procesora date su na slici 7

Slika 7. Osnovne karakteristike mikroprosecora C8051F310

Izgled wizarda za mikroprocesor u SiLabs-u dat je na slici 8.

Slika 8. Izgled wizarda za mikroprocesor u SiLabs-u

13

Procesor generiše signal frekvencije 40KHz. Na slici 8 prikazan je izlaz generisanog signala.

Slika 9. Prikaz dobijeg signala koji generiše mikrokontorler

Tako generisasni signal se preko hex invertor bafera SN7406N šalju na switch HEF4053B (Slika 10), koji u zavisnosti od pinova za selektovanje (S1 i S2), propusta određeni signal (ultrazvučni senzor je istovremeno prijemnik i predajnik pa je potrebno odvojiti signale).

Slika 10. HEF4053B

S1, S2 - selektorski pinovi J4- konektor za ultrazvučni senzor 1Y0,2Y0- pinovi koji iz bafera (SN7406N) dovode četvrtke generisane PWM-om

14

1Y1- pin koji je aktivan kada je potrebno da se odbijeni signal koji je detektovan na ultrazvučnom senzoru prosledi daljoj obradi. Signal koji se odbije od predmeta čija se udaljenost meri se preko ultrazvučnog senzora i switch-a prosleđuje filteru sa propusnim opsegom (band-pass filter), koji propusta signal u opsegu od 35 do 45 KHz. Šema band-pass filtera sa pojčavačem prikazana je na slici 11.

Slika 11. Filter sa propusnim opsegom (band-pass filter)

Pored toga što ovaj filter propusta određeni frekvencijski opseg, on i pojačava „odbijeni“ signal. Korišćen je operacioni pojačavač LT1793.

15

Na sledećim slikama je prikazan simulacioni model u Altium designer-u, kao i prethodna podešavanja za simulaciju. Na slici 11 prikazan je prozor za podešavanje simulacije.

Slika 11. Prikaz prozora za podešavanje simulacije u Altium designe-u

16

Sledeće slike 12 i 13 pokazuju kako izgleda detektovani signal pre pojačanja i posle pojačanja.

Slika12. Signal pre pojačanja

Slika 13. Signal posle pojačanja

17

6. Literatura www.alldatasheet.com

www.allaboutcircuits.com

http://en.wikipedia.org/wiki/Ultrasonic_sensor

http://basicrobot.blogspot.com/2009/03/ultrasonic-sensor-circuit-1.html

http://www.murata.com/products/catalog/pdf/s15e.pdf

http://www.8085projects.info/post/Ultrasonic-transmitter-receiver-sensor-circuit-of-T-R-40-

series.aspx

18

Sadržaj

1. Uvod ................................................................................................................................................ 1

2. O senzorima .................................................................................................................................... 2

3. Merno-akvizicioni sistemi............................................................................................................... 3

3.1 Merni pretvarači ................................................................................................................................ 5

3.2 Klasifikacija mernih grešaka ............................................................................................................. 6

3.3 Vrste signala...................................................................................................................................... 7

4. Ultrazvučni senzori ......................................................................................................................... 8

5. Projektni zadatak ........................................................................................................................... 10

6. Literatura ....................................................................................................................................... 17

Sadržaj ................................................................................................................................................... 18