Receptor ultrasonico para Netduino


El circuito receptor de ultrasonidos que se presenta en este post , es el encargado de recibir y amplificar la señal  enviada por el circuito de transmisión,(explicado en este blog en un post anterior)  para  ser  posteriormente procesada  por Netduino   por ejemplo para medir tiempos de demora en cruzar una distancia franqueada por dos transmisores y receptores ,medir distancias o  simplemente detectar obstáculos.

Para  realizar este propósito este circuito consta de cuatro partes:

  • Un circuito amplificador de dos etapas
  • Un rectificador  e media onda identificada como circuito de detección
  • Un detector de señal formada por un  comparador de la señal ingresada con un nivel de voltaje determinado
  • Un circuito aislador de señal.

Para el cálculo de la función de transferencia a la salida del circuito amplificador, es
factible dividir el circuito, debido a que se tiene la misma configuración tanto en la
primera como en la segunda etapa,utilizándose  ademas  el principio del cortocircuito virtual, en el que tenemos que el voltaje al terminal positivo del amplificador, es igual al voltaje del terminal negativo del amplificador.

Con estos criterios  la tensión de salida del primer Amplificador Operaconial configurado en modo inversor es :

V2 = (( Vp RC ( RD + RA )) / ( ( RB + RC ) RA )) – ( V1 RD / RA )

La señal de ultrasonido recibida por el sensor receptor es amplificada mil veces, con el amplificador operacional en dos etapas. Esto es cien veces en la primera etapa y diez veces más en la segunda.

Este circuito trabaja con una única fuente de alimentación de + 9 v. Es por esta razón que a la entrada positiva del amplificador, se tiene un partidor de tensión con la finalidad de tener un nuevo nivel de voltaje de referencia, este nuevo nivel de referencia, tiene como objetivo principal, que tanto la parte positiva, como la parte negativa de la onda recibida sean igualmente amplificadas. Cosa que no seria posible si el nivel de referencia seria de 0v por poseer este amplificador una sola fuente de alimentación.

El circuito de detección diseñado tiene como objetivo principal el rectificar la señal ultrasónica recibida mediante una rectificación de media onda, la misma que usa la barrera de diodos Shottky debido a sus buenas características de recuperación inversa.
Este voltaje rectificado será utilizado en el circuito detector de señal.

El amplificador operacional internamente tiene cientos o miles de micro factores, de tal forma que cuando la entrada positiva, se hace un poco mayor que la entrada negativa, la diferencia es cientos o miles de veces amplificada y el voltaje a la salida llega a ser la misma que la tensión suministrada. En el caso contrario, cuando la entrada positiva se hace un poco menor a la entrada negativa, la diferencia es cientos o miles de veces
amplificada y el voltaje a la salida se hace casi cero.
En este circuito, la salida del circuito de detección esta conectada con la entrada positiva
del detector de señal. Mientras que a la entrada negativa se tiene un voltaje constante,siendo este el voltaje de referencia para la comparación de señales.

Sustituyendo los valores propuestos obtenemos :

Vrf = (Rb * Vcc) / (Ra + Rb)
Vrf = (47 x 103 * 9) / (1 x 10 6 + 47 x 10 3 )
Vrf = 0.4 v Voltaje de Referencia

De esta forma, tenemos que cuando la señal ultrasónica rectificada sea mayor a 0.4 v, la
salida del detector de señal tendrá un valor máximo, aproximadamente de 9 v

Por ultimo queda el circuito aislador  de señal, el cual es el encargado de aislar el circuito receptor de la señal lógica que será enviada al microprocesador en el instante que exista un retorno de la señal ultrasónica enviada por el circuito transmisor.
Para este cometdio  se emplea un optotransistor de manera que evitemos el ingreso de ruidos que podrían alterar el correcto funcionamiento del circuito, la señal lógica enviada hacia el microprocesador es de + 5 Vcc.

A continuación el esquema eléctrico del circuito propuesto:

receptor ultrasonidos

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Transmisor de ultrasonidos para Netduino


El ultrasonido es una señal sonora de alta frecuencia, que para los seres humanos comienza en la barrera de los 20 khz. Algunos animales son capaces de escuchar estas frecuencias, como los perros, los murciélagos, ratones, algunas aves entre otros animales.

En electrónica los ultrasonidos son utilizados en diferentes propósitos, como en los controles remoto, barreras, radares y sonares. También se utiliza el ultrasonido para alejar ciertas plagas, como los ratones y algunas clases de insectos(los mosquitos). En la medicina estética también se utiliza el ultrasonido, como tratamiento para algunas enfermedades de la piel, como la celulitis, entre otras patologías, aunque no esta comprobado su eficacia al 100%.

El circuito de ultrasonido que presentamos en este post y en una siguiente entrega , puede ser utilizado para diversos usos, como por ejemplo, la detección de un objeto u obstáculo, para ser acoplado  a un proyecto de robótica,  o como barrera ultrasónica y con la conjunción de Netduino podríamos medir la distancia a la que se encuentra un objeto.

Centrándonos  en el transmisor, se ha utilizado el popular circuito integrado 555 en modo astable, es decir como oscilador o generador de pulsos sucesivos. La frecuencia de operación se encuentra alrededor de los 40 Khz, la cual es  la frecuencia  que debería resonar   el trasductor 40T.

Para el diseño del oscilador ultrasónico se emplea un 555 haciéndolo funcionar como multivibrador  astable conectando los pines  el Trigger, Threshold,Discharge y Reset (Terminales 2, 6, 7 y 4 respectivamente)

El condensador C (de 1KpF)  se carga a través de las tipicas resistencias entre los pines  6 y 7  del 555 hasta el nivel del threshold (aproximadamente 0.67 del voltaje de alimentación) y la descarga a través de la resistencia conectada  al pin 6 hasta el nivel del voltaje del Trigger (aproximadamente 0.33 del voltaje de alimentación). De esta forma se tiene a la salida un valor máximo durante el tiempo de carga (Tiempo de subida) y un valor mínimo durante el tiempo de descarga (Tiempo de bajada).Por último ,la señal de ingreso Reset puede eliminar todos los impulsos y puede ser utilizado para iniciar un nuevo ciclo.

Conociendo el funcionamiento del oscilador podemos diseñar el circuito de oscilación,que tiene como principal finalidad el proporcionarnos una onda que oscila a la frecuencia de resonancia para los sensores transmisores que debería rondar los 40khz.

Para lograr tener una relación marca-espacio de onda cercana al 50% haremos que el valor de R1 sea mucho menor al de R2.

Gracias a la herramienta   555 calculator , obtenemos muy fácilmente la frecuencia obtenida a la salida del oscilador.

 astable
Si se requiere precisión la frecuencia de ultrasonido debe ser ajustada a la frecuencia de resonancia del sensor de ultrasonido,para lo cual es posible ajustar la oscilación de la frecuencia variando el valor de la resistencia R2 empleando una resistencia variable.

Para lograr un alcance óptimo de la señal de ultrasonido, se debe amplificar la señal de 40 Khz bien por medio de un simple par de transistores complementarios (por ejemplo el BC 548 y el BC 558 ) o bien mediante  puertas lógicas cmos opción  ultima que se ha tomado en este diseño.

Para la etapa  de amplificacion , se utiliza un circuito integrado
4069UB, el cual  contiene seis circuitos inversores en su interior(este integrado el típico que puede ser utilizado en cualquier propósito cuando se necesiten aplicaciones de inversión con niveles de conversión lógicos).
La señal entregada por el circuito oscilador  basado en el 555 es enviada a dos grupos de inversores colocados en paralelo con la finalidad de incrementar la señal, al primer grupo la señal es enviada directamente y al segundo grupo la señal de ingreso pasa previamente por un inversor, de manera que se tiene un voltaje a aplicar al terminal positivo y un voltaje a aplicar al terminal negativo, los mismos que han sido desfasados 180 grados.

Finalmente la corriente directa es cortada con el capacitor, y el doble del voltaje del circuito oscilador ultrasónico, es aplicado al sensor transmisor de ultrasonido.

Y por último a continuación el esquema del circuito completo:

emisor ultrasonico