Circuito per i sensori ultrasonici

Per i sensori ultrasonici, è stato previsto un circuito per l'amplicazione del segnale da inviare al sensore e un circuito per la ricezione e il trattamento del segnale di risposta indirizzato poi al microcontrollore.

CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA

Per semplicità di esposizione, il circuito verrà scomposto in parte di tra- smissione e parte di ricezione, anche se inne le due parti si troveranno sulla stessa scheda PCB.

Circuito di trasmissione

Dal datasheet del sensore MA40S4S si possono osservare le caratteristi- che essenziali che il circuito di trasmissione deve avere. Il sensore supporta in ingresso tensioni no a 20Vp−p e per funzionare correttamente necessita

di un'onda quadra di frequenza 40KHz privata della componente continua. In letteratura si trovano molti circuiti in grado di generare un'onda quadra alla frequenza desiderata, ma avendo a disposizione il microcontrollore della scheda Fluctus, si è scelti di generare tramite esso la forma d'onda voluta e progettare il circuito per amplicarla.

A questo scopo è stato scelto un circuito formato da un amplicatore opera- zionale montato in modalità non invertente, la cui schematizzazione è visibile in g. 3.23.

Figura 3.23: schematico del circuito di trasmisisone

In accordo con le formule classiche per il montaggio utilizzato, è stato scelto un rapporto tra le resistenze pari a 5. Con questo valore, il segnale ad una frequenza di 40KHz e un'ampiezza picco-picco di 3.3V viene amplicato no ad un valore di 19.8V . Nella realtà il valore si discosta da quello ideale in quanto i valori commerciali delle resistenze scelti in base alla disponibilità sono stati pari a:

ˆ R1 = 6.8KΩ ˆ R2 = 33KΩ

CAPITOLO 3. ARCHITETTURA DEL SISTEMA con un'amplicazione complessiva di

Amplif icazione = 1 + R2/R1 = 5.85

ed un valore picco-picco dell'onda quadra in ingresso pari a 19.31V . Per eliminare la componente continua tra il piedino d'uscita dell'amplicatore operazionale e il sensore, è stato inserito un condensatore del valore di 220µF . Nella scelta dell'operazionale sono stati rispettati i criteri di:

ˆ slew-rate superiore a quello del segnale

ˆ prodotto guadagno banda tale da non distorcere il segnale

ˆ alimentazione di 24V per non aggiungere ulteriori fonti di alimentazio- ne

La scelta è dunque ricaduta sull'amplicatore operazionale MC34071 con slewrate pari a 13V/ µs e prodotto guadagno banda pari a 4.5MHz. Il segnale inoltre sarà composto da un treno di cinque impulsi distanziati tra loro di circa 100ms in modo da consentire il riconoscimento del segnale in ricezione, senza la sovrapposizione di echi spuri che si andrebbero a sommare col segnale utile.

Circuito di ricezione

Il circuito di ricezione dovrà procedere all'amplicazione del segnale dopo che è avvenuta la sua riessione con l'oggetto esterno. Tale segnale sarà proporzionale a quello di trasmissione attenutato di un fattore dipendente dalla distanza e dal coeciente di assorbimento del corpo con il quale avviene la riessione. Già a cinque metri infatti il segnale è attenuato di 35dB rispetto a quello trasmesso. Per il coeciente di riessione, invece, esso è dipendente dal materiale e dalla forma di cui è composto l'oggetto da rilevare: metalli, legno, vetro, hanno un coeciente di riessione pari quasi al 100%, cotone, lana, sono più dicili da rilevare in quanto hanno un'attenuazione maggiore.

Dal datasheet, una piastra metellica di 10cm × 10cm posta ad una distanza di 50cm produce in risposta ad un treno di cinque impulsi di ampiezza pari a 10V, un segnale in uscita dal sensore, visualizzabile in g. 3.24 di ampiezza pari a 60mV .

Sulla base di questi dati sperimentali di partenza si è scelto di amplicare il segnale inizialmente di un fattore pari a 100. Successivamente si è scelto di eettuare un'ulteriore amplicazione per aumentare il range di rilevamento e aggiungere un rivelatore di picco per rendere il segnale d'uscita stabile per poter essere campionato correttamente dal convertitore presente nel micro- controllore.

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Figura 3.24: segnale d'uscita del sensore relativo ad una piastra metallica posta a 50cm

Figura 3.25: circuito relativo alla prima amplicazione del segnale

catori operazionali sono della stessa famiglia utilizzata nel circuito di tra- smissione. Essendo dunque amplicatori operazionali ad alimentazione sin- gola, si eettua una traslazione del segnale pari a metà della tensione di

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alimentazione(Vcc) per garantire al segnale di evolversi con la massima dina-

mica possibile. Ciò è stato fatto con un partitore non caricante sull'ingresso non invertente. I condensatori di disaccoppiamento permettono l'ampli- cazione della sola componente utile del segnale, bloccando la componente continua priva di informazioni utili. Il secondo stadio di alimentazione, ha lo stesso schema del primo, varia solo il valore dell'amplicazione pari a 50. Il segnale a questo punto della catena sarà una riproduzione del segnale tra- smesso con le inevitabili attenuazioni. Per consentire al convertitore di poter rilevare una tensione stabile e non variabile sensibilmente nel tempo, è stato aggiunto un circuito rivelatore di picco formato da due diodi schottky che non abbassano la dinamica del segnale e una squadra RC in parallelo. In uscita inne è stato posto un diodo zener che ha la funzione di eliminare il segnale che eccede la soglia di 3.3V rilevabile dal microcontrollore. Il circuito completo è mostrato in g. 3.26

Figura 3.26: schematico completo del circuito di ricezione

Realizzazione PCB

Il circuito realizzato su scheda millefori, ha permesso di eettuare alcuni test per vericare l'eettivo funzionamento. I test sono stati eettuati in laboratorio utilizzando una piastra metallica posta a varie distanze e con- trollando tramite l'oscilloscopio la temporizzazione dei segnali. Appurato il funzionamento, si è passati alla realizzazione della PCB. Nelle gure seguenti sono riportati i vari passi che hanno portato alla realizzazione del PCB. Nella g. 3.27 è mostrato lo strato superiore di rame che ospita tutti i componen- ti. Nella g. 3.28 è riportata la scheda stampata con una tecnica di fast prototyping[11]. Nella g. 3.29 e g. 3.30 è riportato il circuito completo con tutti i componenti saldati.

Nella g.3.31 è riportato il circuito all'interno di una scatolina apposita per protegerlo dagli urti.

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Figura 3.27: strato superiore di rame

Figura 3.28: scheda realizzata con la tecnica di fast prototyping