Project 2

Laite on tarkoitettu lyhyiden etäisyyksien mittaamiseen lähinnä sisätiloissa huoneenlämmössä. Mikäli laitetta halutaan käyttää ulkona olisi siihen hyvä lisätä lämpötilakompensointi, tosin tämä on käytetyn prosessorin kanssa varsin helppoa. Suurin mitattava etäisyys noin 4-6 metriä, lähetystehoa nostamalla mahdollisesti enemmän.

90s2313 kytkentä on varsin tavanomainen, ainoana poikkeuksena diskreetein transistorein tehty rs232 puskurointi. Kytkentä ei tuota vaadittavia +-12 voltin jännitteitä mutta toimii moitteettomasti useimpien tietokoneiden kanssa. Puskuroinnin voi korvata max232-piirillä mikäli haluaa standardinmukaisen rs232-liitynnän.

Varsinainen etäisyysmittari muodostuu kahdesta ultraäänielementistä (pxe-elementti) ja LM339 komparaattorinelikosta. Pxe-elementteinä kytkennässä käytetään turkulaisen triopakin myymää mallia jonka resonanssitaajuus on 40khz, mutta laite toiminee myös muilla vastaavilla elementeillä. Lähetinelementti on kytketty suoraan 90s2313 io-pinneihin ja ultraäänipulssi tuotetaan ohjelmallisesti.
(Käytetyn pxe-elementin datasheet)

Vastaanottimen etuasteen muodostaa komparaattori IC2a joka on kytketty tavanomaiseksi vahvistinasteeksi. Aste vahvistaa vain positiiviset puolijaksot, mutta tästä ei kytkennän toiminnan kannalta ole haittaa. IC2b toimii aktiivisena ilmaisimena joka kondensaattorin C5 avustuksella suodattaa 40khz:n kantoaallon pois ja tuottaa signaalin verhokäyrän. IC2c siistii signaalin prosessorille sopivaan muotoon. R14 ja C6 muodostavat integraattorin joka tuottaa komparaattorin referenssisignaalin. IC2c:n perään kytketty ledi on tarkoitettu lähinnä debuggaustarkoituksiin ja se kannattaa poistaa kun kytkentä on saatu toimimaan sillä se estää komparaattorin lähdön nousemisen täyteen 5v jännitteeseen, tosin sen ei käytännössä havaittu haittaavan kytkennän toimintaa.

Mittaus onnistuu myös käyttäen ainoastaan yhtä pxe-elementtiä. Prosessorin io-pinni PD4 on kytketty suoraan vastaanottavan pxe-elemetin tuloon ja lähtevä ultraäänipulssi voidaan ajaa suoraan elementtiin. Kuuntelun aikana PD4 on pidettävä input-tilassa jolloin se ei korkean impendanssinsa takia häiritse kaiun mittausta. Lähtevä pulssi aiheuttaa elementtiin voimakkaan mekaanisen resonanssin jonka vuoksi lähimmältä 30-50 cm matkalta ei saada kaikua. Tätä "kuollutta vyöhykettä" voidaan lyhentää pitämällä PD4:sta alhaalla 0.2-0.5 ms pulssin lähettämisen jälkeen, elementin oikosulkeminen maahan vaimentaa resonanssin varsin tehokkaasti. Mikäli laite tehdään kahdella pxe-elementillä ei PD4:sta kannata kytkeä vastaanottavaan elementtiin ja se jää vapaaksi muuhun käyttöön.

Allolevassa skooppikuvassa on laitteen tuottama signaali. Alemmassa säteessä näkyy laitteen lähettämä pulssi (6 kpl 40khz:n jaksoja) Ylempi säde on kaiun verhokäyrä mitattuna pisteestä tp. Ensimmäinen piikki on lähetyspulssin ylikuuluminen, toinen on kaiku katosta noin 1.8m etäisyydeltä (alempi säde 2v/ruutu, ylempi 1v/ruutu, nollataso ruudun keskiviivalla, aika 2ms/ruutu). Lähtevän signaalin ylikuuluminen johtuu lähinnä laitteen hajakapasitansseista ja on varsin helposti vaimennettavissa lähes olemattomiin. Akustista ylikuulumista ei näyttäisi käytetyssä konstruktiossa suuremmin esiintyvän. Kuvasta näkyy hyvin myös palaavan signaalin leveneminen mikä huonontaa tarkkuutta etenkin pitkillä matkoilla. Kuvassa olevassa kytkennässä on joitakin komponetteja joita ei esiinny lopullisessa versiossa, ne ovat kortilla lähinnä kytkennän debuggausta varten.

Etäisyysmittaus ultraäänellä