Mikroprosessoriohjattu etäisyysmittaus ultraäänellä

Abstract

Opinnäytetyön tarkoituksena oli selvittää, miten ultraäänellä pystytään mittaamaan etäisyys tiettyyn kohteeseen 200 kHz:n ultraäänisensorilla, ja toteuttaa mittausprosessi ennalta määrätyllä STM32- mikroprosessorilla. Myöskin elektroniikkasuunnittelu haluttiin toteuttaa mahdollisimman edullisesti ilman IC-piirejä, joten toteutus pyrittiin tekemään puhtaasti analogisilla komponenteilla ja vahvistinasteet transistoreilla.

Työn toteutuksen pääosat koostuivat signaalin lähetyspään ja vastaanoton suunnittelusta sekä STM32L476RG mikroprosessorin ohjelmoimisesta signaalin lähettämistä ja vastaanottamista varten sekä etäisyyden taltioimista varten. Lähetyksessä huomioitavaa oli saada prosessorilta tuotettava 3,3 V signaali vahvistettua yli 15 V huippuarvolta olevaksi ja vastaanotossa saada noin millivoltin signaali takaisin korkeaksi jännitetasoksi eli yli 2,5 V korkeaksi. Mitattu etäisyysalue oli 10cm - 1m.

Lopputuloksena saatiin kahdelle eri piirilevylle (lähetys ja vastaanotto eroteltuna) toteutettu mittauslaite, joka onnistui mittaamaan etäisyydet 10 cm:istä 1 m:iin lähettimestä vastaanottimelle. Työssä huomattiin, että suurimmat haasteet tulevat vastaanotossa tapahtuvasta häiriöiden vahvistamisesta, kun vahvistettava signaalitaso on todella alhainen.

The goal of the thesis was to explore how to measure distance to some object with ultrasonic sensor, and to create the distance measurement device driven by STM32L476RG microprocessor. It was given that the electronical design of the signal processing should be low cost, so the electronical design of the device was to be implemented with low cost components, like transistors and analogic components.

The main parts of the designing the device were the transmitter and receiver of the signal and the programming of the microcontroller so it would send the signal and receive it in right manner. The main specification for transmitter were the boost from 3.3V signal level to over 15V peak voltage level and on the receiving end the 1-2 millivolt signal was to be amplified back to microprocessors high voltage level (over 2.5 voltage).

The outcome of the thesis was a working device with separate PCB boards for transmitter and receiver connected to the microcontroller. The device could measure the distance with >3% error margin and for 1m distance from sensor to sensor. It was seen, that when you’re amplifying extremely small signal, the filtering of the signal needs to be decent to be able to get rid of the noise, because otherwise the signal is lost within the amplified noise.