دانلود تحقیق شبیه سازی موانع عقب خودرو

در این پروژه با استفاده از 4 سنسور مافوق صوت به شبیه سازی موانع عقب خودرو
می پردازیم این سیستم در خودروهای سنگین که امکان دیدن فضای پشت اتومبیل در آیینه عقب ندارند کاربرد مناسبی خواهد داشت چگونگی کارکرد این پروژه به این صورت است که موج مافوق صوت به وسیله فرستنده ارسال می گردد همزمان یک تایر در میکرو راه اندازی می شود زمانی که موج ارسالی به مانع برخورد کرد و در گیرنده دریافت شد میکرو تایمر را متوقف می کند زمان اندازه گیری شده توسط تایمر عبارت است از زمان رفت و برگشت موج که نصب این زمان ، زمان رفت موج خواهد بود حاصل ضرب این زمان در سرعت موج مافوق صوت فاصله مانع تا سنسور را به ما می دهد که براساس آن به مدل کردن خودرو نسبت به موانع می پردازیم.

فصل اول








1-1- ماهیت امواج صوتی و مافوق صوت :
وقتی جسمی در محیط مادی مرتعش می شود منجر به ارتعاش محیط اطراف خود می گردد اگر در یک محیط یک آشفتگی ایجاد کنیم این آشفتگی ، ذره به ذره در محیط جابه جا شده و پیش می رود این پدیده فیزیکی ما را به تعریف اولیه موج رهنمون می شود:
"انتشار آشفتگی در محیط را موج می نامیم."
دسته ای از امواج برای انتشار به محیط مادی نیاز ندارند ."موجهای الکترومغناطیس" که به لحاظ ماهیت از دوموج الکتریکی و مغناطیسی متعامد تشکیل می گردند از این دسته اند نور عمده ترین عضو مجموعه امواج الکترومغناطیس محسوب می شود.

دسته دیگری از امواج که برای انتشار به محیط مادی نیاز دارند "امواج مکانیکی" نامیده می شوند برحسب راستای جابه جایی اجزای محیط ، امواج به دو دسته تقسیم می شوند چنانچه این جابه جایی در امتداد راستای انتشار باشد موج را "موج طولی " و اگر جابه جایی عمود بر راستای انتشار باشد موج را "موج عرضی" می خوانند.

صوت نتیجه حاصل از ارتعاش مکانیکی در محیط مادی است در اثر ارتعاش یک جسم مرتعش هوای اطراف آن نیز به ارتعاش در می آید این موجها در هوا منتشر شده و انرژی مکانیکی را منتقل می کند.

شکل 1-1: نمایش انتشار امواج صوتی
در صورتی که این امواج در محدوده فرکانسی Hz20 تا KHz20 قرار گیرد برای گوش انسان قابل تشخیص خواهند بود به این گستره "محدوده شنوایی" انسان گفته می شود.

موج های با فرکانس پائین تر از Hz20 "امواج فروصوتی" یا "مادون صوت" و موج های با فرکانس بیش از KHz20 را "امواج فراصوتی" یا "مافوق صوت" نامگذاری شده اند بدیهی است این امواج قابل شنیدن نیستند.

در کاربردهای عملی برای امواج مافوق صوت فرکانس استانداری در نظر گرفته می شود که در این فرکانس کار کردن با این امواج بهینه خواهد بود در اغلب فرستنده ها و گیرنده های آلتراسونیک این فرکانس برابر KHz40 در نظر گرفته شده است که به طبع آن فرکانس مرکزی متصل به این گونه حسگرهای مافوق صوت برابر KHz40 خواهد بود که در این باره در فصول آتی توضیح داده می شود.

شکل 1-2- نمایش محدوده فرکانسی امواج مافوق صوت

امواج مافوق صوت به علت ویژگی های مناسب و منحصر به فرد خود مانند خاصیت انتشار خوب انعکاس پس از برخورد با مانع ، غیرقابل حس بودن به وسیله شنوایی ، خاصیت نفوذ در اجسام به علت طول موج کوتاه و ...

کاربردهایی بسیار زیادی در زمینه های گوناگون از جمله صنعت ، پزشکی ، هوافضا، راهنمایی رانندگی ، تسهیلات نظامی و ...

پیدا کرده اند در ذیل به اختصار برخی از کاربردهای این امواج آمده است .

1-2- کاربردهای امواج مافوق صوت :
الف- ارتفاع سنج ها:
یکی از بهترین روشها برای اندازه گیری ارتفاع مایعات داخل مخازن استفاده از امواج آلتراسونیک است دقت و کارآیی بالای به کارگیری این شیوه در اندازه گیری سطح مایعات باعث شده است که ارتفاع سنج های مافوق صوت در صنعت کاربرد روزافزونی بیابند علت استفاده از این امواج در اندازه گیری عمق مایعات آن است که امواج مافوق صوت کمترین ضریب شکست در مایعات را دارا هستند.

شکل 1-3: ارتفاع سنجی مافوق صوت
معمولاًموج فرستاده شده در راستای عمود به سطح مایع برخورد کرده و باز می گردد و ارتفاع مایع با درصد خطای کمی محاسبه می شود.

اساس این کار به این ترتیب است که فرستنده ای موج را به داخل مخزن ارسال می کند و گیرنده موج برگشتی را دریافت کرده و در این بازه زمانی (ارسال تا دریافت) یک شمارنده فعال شده و از آنجا که سرعت این امواج در مایعات مختلف قبلاً اندازه گیری شده و در اختیار ماست با داشتن پارامتر سرعت و نصف زمان رفت و برگشت عمق مایع با دقت قابل قبولی بدست می آید.

ب- تست سلامت اجسام :
از آنجا که نشان داده شده است که امواج مافوق صوت به شکل امواج مکانیکی با تغییرات فرکانسی خیلی بالا غالباً در ساختمان فیزیکی و شیمیایی مواد تغییر حاصل نمی کند می توان آن را به داخل ماده تست شوند.(به عنوان مثال بدنه کشتی یا هواپیما و ...) فرستاد و از سلامت جسم در مقابل ترک ، خورده شدگی و تغییر شکل اطمینان حاصل نمود.

پ- فاصله سنج ها :
یکی از مهمترین کاربردهای امواج مافوق صوت اندازه گیری فاصله در نقشه برداری و مهندسی عمران می باشد دوربین نقشه برداری جدید با خاصیت آلتراسونیک کار کرده و حتی دقت آنها به cm نیز می رسد نمایش فاصله در این دوربین ها با امکانات جانبی و به صورت دیجیتال انجام می شود اساس فاصله سنجی مافوق صوت بر خاصیت انعکاس امواج آلتراسونیک در اثر برخورد با مانع و اندازه گیری نصف زمان رفت و برگشت است که در تقسیم سرعت انتشار موج در فضا بر این مدت زمان می توان فاصله تا مانع را محاسبه کرد.

اندازه گیری این زمان به روشهای گوناگون و با استفاده از شمارنده ها ، تایمرها و یا میکروکنترلر ها در صورتی که سیستم دارای امکانات جانبی بیشتر و پیچیده تری باشد انجام می شود.

شکل 1-4: فاصله سنجی مافوق صوت پروژه حاضر نیز براساس تکنولوژی فاصله سنجی آلتراسونیک پی ریزی گردیده است.

ت – تراکم سنج ها : با توجه به اینکه سرعت انتشار امواج مافوق صوت در مواد گوناگونی با تراکم های مختلف متغیر است می توان از این امواج به عنوان تراکم سنج استفاده نمود.

تکنیک کار به این صورت است که در یک طرف فرستنده آلتراسونیک را قرار داده و در طرف دیگر گیرنده را تعبیه می کنیم و مدت زمان ارسال و دریافت موج را اندازه گیری کرده با توجه به طول جسمی که موج در آن حرکت کرده سرعت موج که معیار مناسبی برای تشخیص تراکم ماده است بدست می آید.

شکل 1-5: تراکم سنجی مافوق صوت ث- اندازه گیری سرعت سیال و دبی سنج ها با استفاده از خاصیت انتشار امواج مافوق صوت در میان سیالات واندازه گیری مدت زمان انتشار در یک فاصله مشخص در جهت حرکت سیال و در خلاف جهت حرکت آن و با توجه به متناسب بودن اختلاف این دو زمان با سرعت سیال می توان سرعت و دبی سیال را محاسبه کرد.

شکل 1-6: سنجش سرعت سیال به وسیله امواج مافوق صوت ج – سرعت سنج ها : اساس سرعت سنج های آلتراسونیک بر پدیده دوپلر استوار است بدین صورت که فرکانس پایه توسط یک فرستنده مافوق صوت تولید شده و به طرف جسم متحرک ارسال می شود و گیرنده موج برگشتی را دریافت می کند فرکانس سیگنال دریافتی با توجه به اثر دوپلر با فرکانس ارسالی متفاوت می باشد با محاسبه این اختلاف فرکانس توسط میکرو سرعت جسم محاسبه شده و توسط نمایشگر نمایش داده می شود.

شکل 1-7: سرعت سنجی مافوق صوت همانطور که گفته شد استفاده از امواج آلتراسونیک در صنعت گسترس روز افزونی دارد که ذکر همه آنها در این مجال نمی گنجد و آنچه ذکر شد صرفاً اساسی ترین کاربردهای این امواج در صنعت بودند از سوی دیگر کاربردهای نظامی این امواج ( به عنوان مثال در زیردریایی ها برای تشخیص مانع ) و برای استفاده پزشکی آن (به عنوان نمونه سنگ شکن های کلیه ، تعیین ضربات قلب جنین ) و به کارگیری آن در راهنمایی رانندگی (مانند اخطار به اتومبیل های با سرعت غیرمجاز ) همچنین در دستگاه های پرداخت جواهرات و ...

همه و همه حاکی از اهمیت این امواج در زندگی بشر امروز است که تحقیق و پژوهش در این زمینه را ضروری و لازم می نماید.

فصل دوم : بلوک دیاگرام کلی پروژه نگاهی به بلوک دیاگرام کلی پروژه : در این فصل به اجمال به توضیح بخشهای مختلف مدار می پردازیم تا دید کلی نسبت به اجزاء اصلی و آنچه که این پروژه به دنبال دست یافتن به آن است حاصل گردد.

شکل 2-1: بلوک دیاگرام کلی پروژه مدار فرستنده مدار گیرنده بخش کنترل سیستم نمایشگر 2-1- مدار فرستنده : مدار فرستنده خود شامل قسمتهای دیگری است که عبارتند از : الف- ترانسدیوسر فرستنده مافوق صوت ب- نوسان ساز : یا فرکانس کاری 40 KHZ پ- مدار کلید زنی : برای رساندن سطح ولتاژ نوسان ساز به سطح ولتاژ مورد نیاز در این قسمت در صورتی که اسیلاتور ما موج مربعی باشد مدار کلیدزنی نیاز داریم و اگر موج سینوسی باشد به تقویت کننده احتیاج خواهیم داشت .

ث- مدار بافر: برای جلوگیری از اثر بار گذاری فرستنده بر روی مدار ث- رله آنالوگ – دیجیتال: برای انتخاب فرستنده گیرنده فعال 2-2- مدار گیرنده : مدار گیرنده به زیر بخشهای زیر تقسیم می شود الف- ترانسدیوسر گیرنده مافوق صوت ب- تقویت کننده طبقه اول پ- فیلتر یا فرکانس مرکزی 40KHZ ت- تقویت کننده طبقه دوم با بهره متغیر ث- مدار تولید پالس منطقی به وسیله اشمیت تریگر برای بخش کنترل 2-3 – بخش کنترل در این بخش می توان از IC های میکروکنترلر به عنوان بخش کنترل و پردازش منطقی استفاده کرد این IC ها انواع گوناگون داشته با زبانهای مختلف برنامه نویسی شده و توسط شرکتهای متفاوتی ساخته می شوند ، امروزه مدارهای مجتمعی همچون 8051 ، میکروهای سری AVR و میکروهای سری PIC از مشهورترین میکروکنترلرهایی هستند که به عنوان هسته اصلی پردازش مدارات الکترونیکی استفاده می شوند همچنین می توان مدار پردازشگری با استفاده از گیتهای منطقی مختص این مدار طراحی کرد که این روش امروزه به دلیل عدم انعطاف پذیری و دقت کم عملاً منسوخ شده است در این پروژه از میکروکنترلر ATMEGA16 یا ATMEGA32 که از سری میکروکنترلرهای AVR هستند می توان استفاده کرد از مزیت این میکروها می توان به سرعت و دقت بسیار بالای آنها اشاره کرد علاوه بر آن برنامه نویسی آسان و پروگرام کردن مطلوب و جوابگوی این IC ها و همچنین پشتیبانی از LCD های گرافیکیی مورد نیاز در این پروژه ما را برآن داشته است که این میکروها را به سری میکروهای PIC ترجیح دهیم .

2-4- سیستم نمایشگر : در الکترونیک برای نمایش داده ها به کاربر از قطعات متفاوتی از LED ها و 7SEGMENT ها گرفته تا مانیتورهای پیشرفته دیجیتال استفاده می شود در پروژه هایی در این سطح اغلب LCD های کاراکتری که قابلیت نمایش حروف و ارقام را دارند استعمال می گردد سیستم نمایشگر به کار گرفته شده دراین پروژه LCD گرافیکی 64*128 پیکسل می باشد که علاوه بر کاراکترها قابلیت نمایش اشکال دلخواه را نیز دارا بوده و اطلاعات را به صورت پویا در اختیار کاربر قرار می دهد لازم به ذکر است برای این منظور باید از سری LCD های 12864D استفاده شود چرا که نظر به میکرو AVR استفاده شده LCD های 12864A قابلیت راه اندازی مستقیم با این میکروکنترلرها را ندارند مشخصات کامل این سیستم نمایشگر که تحت نام WG12864D-yyH-YYh-VZ در بخش ضمائم آورده شده است .

در فصلهای بعدی به شرح تفضیلی بخشهای مختلف مدار خواهیم پرداخت.

فصل سوم : سنسورهای مافوق صوت 3-1- اثر پیزوالکتریک : در برخی از مواد بلورین چنانچه ولتاژی به سطح بلور اعمال شود بلور دچار تغییر بعد می گردد و به عکس اگر بلوری در معرض فشار مکانیکی قرار گیرد میدانی الکتریکی در آن به وجود می آید که ولتاژ تولید شده توسط آن متناسب با فشار خواهد بود این پدیده در سال 1880 میلادی توسط برادران کوری کشف گردید و به سبب تعامل همگام فشار و پدیدار شدن الکتریسیته اثر "پیزوالکتریک " نامیده شد همچنین مشاهده شد که اگر فشار را به کشش و یا کشش را به فشار تبدیل کنیم قطب بار الکتریکی پدیدار شده در بلور تغییر می کند این پدیده در مواردی از قبیل تورمالین ، کواتز، سولفوردی سینک، کلرات سدیم ، اسید تاریک ، شکر و دیگر بلورها بیش و کم مشاهده می شود اثر پیزوالکتریک در بلورهایی پدیدار می گردد که دارای یک یا چند محور قطبی باشد مواد پیزوالکتریک اساس کار مبدلهای الکترومکانیکی را تشکیل می دهند.

کوارتز اولین ماده ای بود که کاربرد پیزوالکتریکی پیدا کرد این ماده هنوز تا حدودی در این زمینه به کار می رود امروزه مواد دیگری از قبیل باریم تیتانات ، سرب زیرکونات و سرت متانیوبات موارد مصرف گسترده ای در این ارتباط دارند وقتی ولتاژ متناوبی در امتداد ضخامت یک قرص پیزوالکتریک اعمال شود شروع به انقباض و انبساط می کند بنابراین موجی فشاری عمود بر قرص در پیرامون آن تولید می شود بر مبنای همین تکنیک ترانسدیوسرها ساخته شدند چنانچه از کوارتز استفاده شود قرص را در جهت خاصی از بلور طبیعی برش می دهند اما قرص های سرامیکی از جنس باریم تیتانات متشکل از بلورهای ریز بسیار که در یکدیگر گداخته شده اند می باشد در چنین بلورهایی برعکس کوارتز ارتعاش در یک صفحه ایجاد می شود و به این منظور دائماً قطبیده می گردد تولید موج زمانی حداکثر تأثیر را دارد که بلور مبدل با فرکانس طبیعی خود ارتعاش کند و فرکانس طبیعی کریستال یا همان بلور پیزوالکتریک بوسیله ابعاد و ثابتهای کشسانی که نسبت به ماده به کار رفته متفاوت است و نیز از خصوصیات فیزیکی کل این بلورها بدست می آید.

3-2- ترانسدیوسرهای مافوق صوت و مشخصات 400ST/R160 : همانگونه که گفته شد به کمک پدیده پیزوالکتریک ترانسدیوسرها ساخته شدند ترانسدیوسرهای اولتراسونیک از این نمونه ترانسدیوسرها هستند که عموماً در دو بخش مجزا موجودند بخش اول فرستنده که در واقع نقش یک بلندگوی مافوق صوت را دارد و بخش دوم گیرنده که عملکرد آن مانند یک میکروفون مافوق صوت می باشد فرستنده و گیرنده هر دو کریستالهای پیزوالکتریک هستند ترانسدیوسرهای اولتراسونیک معمولاً در فرکانس خاصی دارای بهترین پاسخ هستند این فرکانس به عنوان فرکانس مرکزی ترانسدیوسر بر روی آن نوشته شده است و معمولاً به صورت استاندارد برای کار در فرکانس KHz40 ساخته می شوند.

ترانسدیوسرهای مافوق صوت مورد استفاده در این پروژه از نوع 400ST/R160 هستند که براساس کاتالوگ آنها که در بخش ضمائم نیز مشاهده می کنید مطابق نمودار حساسیت بر حسب رنج فرکانسی کیلوهرتز که در vrms10 و فاصله 30cm تست شده اند مشاهده می شود که بیشینه حساسیت در فرکانس 40KHz رخ می دهد بنابراین فرکانس کاری هر سیستم فرستنده گیرنده آلتراسونیکی که با این سنسورها کار می کند باید همین مقدار را داشته باشد در این نمودار منحنی زیرین مربوط به حساسیت (Sensitivity) و منحنی بالا متعلق به سطح فشار صورت (SPL) می باشد.

شکل 3-1: نمودار حساسیت سنسور مافوق صوت بر حسب فرکانس قسمت فرستنده تحت نام 400ST160 شناخته می شود و کارخانه سازنده بر روی آن علامت T (یا) TX حرف اول کلمه فرستنده را حک کرده است و قسمت گیرنده 400SR160 بوده و روی آن حرف R (یا RX) اولین حرف کلمه گیرنده ثبت شده است تا فرستنده و گیرنده که از لحاظ ساختمان ظاهری کاملاً شبیه به یکدیگر بوده است قابل تمایز باشند پهنای بارز 6dB فرستنده 20KHz و گیرنده 2.5KHz ماکزیمم ولتاژ راه اندازی فرستنده 20 Vrms و ترانسدیوسرها در دمای 40 تا 85 درجه سلسیوس توانایی کارکرد مناسب را دارا هستند.

شکل 3-2: مشخصات کاری سنسورهای مافوق صوت دیگر مشخصات این المان ها را در کاتالوگ مربوطه می توان مشاهده کرد .

نکته حائز اهمیت آنکه بر اساس نمودار امپدانس – فاز- فرکانس باید حتماً در طراحی ها در نظر داشت که از لحاظ مداری تراندیوسه ها دارای امپدانس مشخصی هستند که برای محاسبات علی الخصوص اثر بارگذاری فرستنده باید این اعداد را لحاظ کرد.

شکل 3-3:‌نمودار فاز – امپدانس – فرکانس سنسورهای مافوق صوت طبق این نمودارها می توان فرستنده و گیرنده را با مقادیر زیر مدل کرد اگر چه در عمل باز هم ممکن است خطا داشته باشیم .

فرستنده : 400ST160@40KHz گیرنده : 400ST160@40KHz از دیگر مشخصات این ترانسدیوسرها آنکه فرستنده و گیرنده در دو پیزومجزا طراحی شده‌اند .

ترانسدیوسرهای آلتراسونیکی در بازار موجود هستند که فرستنده – گیرنده در یک المان طراحی شده اند این ترانسدیوسرها غالباً برای فواصل کوتاه مورد استفاده قرار می‌گیرند و استعمال آنها در پروژه هایی که دقت و مسافت زیادی را پوشش می دهند توصیه نمی شود.

فصل چهارم : فرستنده های مافوق صوت فرستنده مافوق صوت همانگونه که در فصل قبل گفته شد برای راه اندازی ترانسدیوسر فرستنده مافوق صوت ما نیاز به موج 40KHz با دامنه مناسب داریم بسته به اسیلاتوری که مورد استفاده قرار می دهیم طراحی های متفاوتی برای این فرستنده خواهیم داشت بنابراین بلوک دیاگرام فرستنده دارای بخشهای زیر خواهد بود: شکل 4-1: بلوک دیاگرام مدار فرستنده مافوق صوت باید توجه داشت که در این پروژه از چهار فرستنده گیرنده استفاده شد که به منظور اختصار فقط یک فرستنده در بلوک دیاگرام فوق رسم شده است و رله آنالوگ در عمل برای انتخاب فرستنده فعال استفاده می شود در پروژه هایی که تنها از یک فرستنده گیرنده استفاده می گردد نیازی به استعمال رله نیست .

4-1- نوسان ساز همانگونه که می دانیم سه گونه نوسان سازهای موج مربعی ، موج سینوسی وموج مثلثی پرکاربردترین نوسان سازها در مدارات الکتریکی هستند نوسان ساز موج مثلثی عملاً برای راه اندازی سنسورهای آلتراسونیک مورد استفاده قرار نمی گیرند.

بنابراین ما به شرح دونوع اسیلاتور موج مربعی و موج سینوسی می پردازیم چهار روش عمده ذیل برای طراحی نوسان ساز مدار پیشنهاد می گردد: الف- نوسان ساز موج مربعی با استفاده از مدار مجتمع 555 ب- نوسان ساز موج سینوسی با استفاده از تقویت کننده عملیاتی پ- نوسان ساز موج سینوسی با استفاده از کریستال ت- نوسان ساز موج مربعی با استفاده از میکروکنترلر در این پروژه به علت مزایایی که توضیح داده خواهد شد از روش چهارم استفاده خواهیم کرد حال به بحث درباره هر یک از روشهای یاد شده می پردازیم .

الف- نوسانساز موج مربعی با استفاده از IC555 می دانیم که شناخته شده ترین نوسان سازهای موج مربعی (اسیلاتورهای موج مربعی) مولتی ویبراتورهای آستابل هستند در عمل به منظور مجتمع سازی و سادگی مدار از یک IC555 به عنوان اسیلاتور موج مربعی استفاده می شود.

شکل 4-2: بلوک دیاگرام داخلی IC555 مدار طراحی شده این نوسانساز را در شک ل 4-3 مشاهده می کنید.

شکل 4-3: مدار نوسانساز موج مربعی به کمک IC555 طبق درس تکنیک پالس می دانیم : زمان وظیفه مدار فوق برابر خواهد بود برای ارسال بهتر امواج مناسبتر است که زمان وظیفه 50% داشته باشیم به این منظور بین پایه شماره 2 و پایه شماره 7 آی سی 555 یک دیود اضافه می کنیم با توجه به جریان پر کننده گذرنده از آن دیود شماره IN4148 می تواند انتخاب مناسبی برای آن باشد و بنابراین صورت می توان نوشت : با توجه به مقدار به دست آمده می توان از مقاومت که مقداری استاندارد است استفاده نمود نکته بسیار حائز اهمیت آن است که چون ما به فرکانس احتیاج داریم و عملاً به دست آوردن چنین فرکانسی با مقاومتهای استاندارد بسیار سخت است بهتر است که مقدار را همان انتخاب کرده و به جای از یک پتانسیومتر استفاده نمائیم و بسامد خروجی که همان پایه 3، IC555 می باشد را با فرکانس متر مشاهده کنیم و پتانسیومتر را آنقدر تغییر دهیم که فرکانس 40KHZ حاصل شود در عمل مقداری که بدست می آید حدود است که مقاومت استاندارد نزدیک به آن می باشد و با آن می توان به مقدار مطلوب رسید هر چند استفاده از پتانسیومتر بسیار مفیدتر خواهد بود در صورتی که فرکانس متر در اختیار نداشته باشیم الزاماً باید مدار گیرنده را هم ببندم و خروجی آن مدار را با تغییر پتانسیومتر چک کنیم و در حالتی که مانع وجود داشته باشد مقداری که بیشترین دامنه ac را در خروجی گیرنده می دهد مناسبترین گزینه برای مقاومت است که بدیهی است آن مقدار منجر به تولید فرکانس 40KHZ می گردد استفاده از فرکانسی در حدود -3236KHZ را ایجاد خواهد کرد که در این صورت جواب درستی نخواهیم گرفت با توجه به آنچه گفته شد گزینه در صورتی که استفاده از پتانسیومتر مقدور نباشد آخرین انتخاب خواهد بود.

ب- اسیلاتور موج سینوسی با استفاده از تقویت کننده عملیاتی : مدار شکل 4-4 یک نوسان ساز پل وین با استفاده از تقویت کننده عملیاتی را نمایش می دهد اساس کار این نوسان سازها استفاده از پسخور مثبت می باشد می دانیم که هر گاه ریشه های معادله مشخصه مداری بر محور موهومی قرار گیرد( به شرطی که دو ریشه روی محور موهومی داشته باشیم ) یا به عبارتی جزء صحیح ریشه ها صفر شود در این مدار پسخور مثبت از طریق شبکه RC به ورودی غیرمعکوس کننده و پسخور منفی به وسیله مقسم ولتاژ به ورودی معکوس کننده متصل است.

شکل 4-4: مدار نوسانساز موج سینوسی ( پل وین ) به کمک OPAMP تابع تبدیل مدار از رابطه زیر محاسبه می گردد: در لحظه ای که بهره برابر 3 می شود مدار به نوسان در می آید برای این کار از یک پتانسیومتر استفاده کرده ایم که بتوان بهره مورد نیاز را تولید کرد برای بدست آوردن فرکانس کاری 40khz با انتخاب C=1nf داریم : که می توان به جای یکی از مقاومتها از مقاومت استاندارد استفاده کرد و مانند قبل از یک پتانسیومتر برابر ایجاد فرکانس 40KHZ بهره گرفت همچنین چون تثبیت فرکانسی برای ما اهمیت به سزایی دارد بهتر است از خازنهای تمام لایه با دقت بالا استفاده کرد نکته بسیار مهم در اینجا آن است که برای تولید رنج فرکانس کاری 40KHZ استفاده از تقویت کننده های عملیاتی باند پهن نظیر LF351 و یا مشابه آن توصیه می شود .

پ- نوسانساز موج سینوسی با استفاده از کریستال : مدار شکل 4-5 یک نوسانساز کریستالی را نشان می دهد برای ساختن این اسیلاتور مطابق شکل از یک گیت not استفاده شده است بدیهی است و فیدبک منفی مدار رابطه معکوس دارند بدین معنا که هر چه را بزرگتر انتخاب نمائیم فیدبک منفی کمتر می شود ، در کل مقاومتها باید به گونه ای انتخاب شوند که فیدبک مثبت بزرگتر از فیدبک منفی شود تا بتوانیم نوسان داشته باشیم به همین منظور از گیت not سری مدارات مجتمع CMOS استفاده می کنیم دلیل این امر هم آن است که مقاومت ورودی گیتهای CMOS بزرگتر از TTL است و فیدبک مثبت بزرگتر از فیدبک منفی شده و نوسان صورت می‌گیرد.

شکل 4-5: مدارنوسانساز موج سینوسی به کمک کریستال شماره IC ، 4049 گیت not از سری گیتهای CMOS است که دارای 6 معکوس کننده بافر نشده می باشد یکی از این گیتها را برای تولید سیگنال 40KHZ استفاده کرده ایم 5 گیت دیگر را نیز می توان به عنوان محرک برای سنسور به کاربرد که شکل اتصال این گیتها به سنسور و اعمال اسیلاتور به مجموعه حاصل را در شکل 4-6 مشاده می کنید که خروجی اسیلاتور کریستالی است .

شکل 4-6: مدار اتصال IC4049 به ترانسدیوسر فرستنده نکته لازم به ذکر در مورد کریستال به کار گرفته شده اینکه در صورت استفاده از کریستال 40KHZ دیگر نیازی به تقسیم فرکانس نیست اما معمولاً کریستالهای موجود در بازار در رنج مگاهرتز هستند مانند کریستالهای 4 یا 8 یا 16 مگاهرتز در صورت استفاده از این کریستالها باید از IC های مقسم فرکانس مانند IC7490 در کنار آن استفاده کرد تا موج 40KHZ را با تقسیم فرکانس داشته باشیم.

استفاده از این اسیلاتور نسبت به دو نمونه قبلی به دلیل مزایای زیر رجحان دارد: - اسیلاتورهای مقاومت خازنی یا سلف خازنی دارای درصد خطای بالایی هستند.

- تولید پالس مربعی با IC555 به دلیل تلرانس مقاومتها و خازن ها با دقت زیاد حول فرکانس مرکزی 40 کیلوهرتز کار دشواری است .

- در صورت استفاده از کریستال به عنوان نوسانساز پایه ، درصد خطا به مقدار قابل توجهی (در حدود یک هرتز در مگاهرتز) کاهش می یابد.

- مدار حاصل از کریستال بسیار ساده تر و کارآمدتر از دو طرح قبلی خواهد بود.

ت – نوسان ساز موج مربعی با استفاده از میکروکنترلر : استفاده از اسیلاتورها به صورت مجزا در مدار فرستنده آلتراسونیک تنها هنگامی توجیه پذیراست که یا از میکروکنترلرهای قوی در مدار استفاده نکرده باشیم و یا با محدودیت پین های میکرو مواجه باشیم در غیر این صورت طراحی جداگانه اسیلاتور صرفه اقتصادی و توجیه مهندسی نخواهد داشت در ساخت این پروژه به دلیل آنکه تولید پالس به وسیله میکرو از دقت بسیار بالایی در حد یک هرتز در مگاهرتز (و حتی بیش از آن ) برخوردار است و نیز انعطاف پذیری نرم افزاری در طراحی از تنها یک پایه میکرو به عنوان اسیلاتور بهره جسته ایم از آنجا که توضیح این روش نیاز به آشنایی با برنامه نویسی و پروگرام کردن میکروکنترلر دارد در فصلهای آتی به تفضیل در مورد چگونگی استفاده از میکرو به عنوان نوسان ساز موج مربعی بحث خواهیم کرد.

4-2- مدار بافر : بافر در مدار فرستنده به دو منظور استفاده می شود یک بافر پس از مدار نوسان ساز و بافر دیگر قبل از ترانسدیوسر فرستنده علت استفاده از بافر اولیه آن است که همانگونه که توضیح داده شد در این پروژه یک پایه میکروکنترلر در نقش نوسان ساز برای مدار عمل می کند بافر از سویی با جریان ورودی ناچیز ، میکروکنترلر را در برابر کشیده شدن جریان بیش از جریان ماکزیمم آن (20 میکرو آمپر) محافظت کرده و از طرف دیگر جریان مورد نیاز مدار را تأمین می کند به علت کار در فرکانس 40KHZ از آپمپهای معمولی مانند LM741 و یا آپمپهای مشابه نمی توان استفاده کرد و نیاز به تقویت کننده عملیاتی باند پهن می باشد که ما در اینجا از مدار مجتمع LF351 استفاده کرده ایم .

شکل 4-7: ترکیب پایه های تراشه LF351 همانگونه که از کاتالوگ این IC بر می آید برخلاف LM741 که طبقه ورودی آن ترانزیستوری است در آن از FET به عنوان طبقه ورودی استفاده شده است .

شکل 4-8: شماتیک داخلی تراشه LF351( طبقه ورودی FET) این امر موجب می شود جریان ورودی مدار در حد صفر باشد و از این لحاظ با اطمینان خاطر می توان مدار را به میکرو متصل کرد دلیل استفاده از بافر دوم عبارتست از آنکه اثر بارگذاری شدید ترانسدیوسر بر مدار فرستنده را کاهش دهیم زیرا همانطور که گفته شد امپدانس تراندیوسر فرستنده 1000 شکل 4-9: شماتیک داخلی تراشه LM741 بنابراین مدار بافر را به صورت شکل 4-10 خواهیم داشت : شکل 4-10 : مدار بافر 4-3- مدار کلید زنی (سوئیچینگ ترانزیستوری ): موج 40KHZ تولیدی توسط میکرو اولاً مربعی است و ثانیاً در سطح 0 و 5 ولت تغییر می کند اما از طرفی می دانیم که برای راه اندازی ترانسدیوسر فرستنده باید مقدار rms موج ارسالی بین 5 تا 20 ولت باشد تا ارسال با کیفیت مناسب انجام شود مقدار rms موج از رابطه زیر محاسبه می شود : این مقدار برای موج سینوسی و موج مربعی یک طرفه از رابطه زیر بدست می آید : اگر این مقدار را برای موجی با سطح 0 و5 ولت مربعی که توسط نوسانساز تولید کرده ایم محاسبه کنیم خواهیم داشت : با این مقدار مؤثر ولتاژ نمی توان عملاً سنسور را راه اندازی کرد و نیاز به سطح بالاتری داریم می دانیم که تقویت امواج سینوسی توسط تقویت کننده های ترانزیستوری به راحتی انجام می شود یک موج مربعی با فرکانس f دارای بی نهایت هارمونیک مضرب f بوده و تقویت آن با ترانزیستورهای معمولی دشوار است ولی با استفاده از مدار سوئیچ ترانزیستوری و طراحی مناسب کلید می توان سطح این موج را تغییر داده و عملاً به سطح مطلوب برسیم می خواهیم سطح موج اسیلاتور 5-0 را به سطح 0-V0 برسانیم که Vcc تغذیه مدار بوده و در این پروژه می توان از تغذیه 10 تا 20 استفاده کرد که ما مقدار 12 را به عنوان تغذیه استفاده کرده ایم چرا که برای راه اندازی بخشهای دیگر مدار از جمله همان بخش بافر که در قسمت قبل توضیح دادیم و بخشهای تقویت کننده و فیلترینگ درگیرنده از تقویت کننده عملیاتی LF351 استفاده کرده ایم که برای تغذیه آن (پایه های 4 ولتاژ منفی و 7 ولتاژ مثبت ) به تغذیه مثبت و منفی نیاز است که مقدار 12 برای ما مطلوب خواهد بود.

حال به طراحی مدار کلید ترانزیستوری می پردازیم موج ورودی در یک نیم سیکل صفر و در نیم سیکل دیگر 5 ولت است اگر ما سوئیچ را طوری طراحی کنیم که در ناحیه قطع ولتاژ 12 ولت Vcc را و در اشباع 0.2 ولت در کلتور داشته باشیم می توانیم موج 5-0 مربعی را به 12-0 مربعی با 180 اختلاف فاز تبدیل کرد مدار شکل 4-11 برای این منظور پیشنهاد می شود .

شکل 4-11 : مدار سوئیچ ترانزیستوری برای طراحی را یک کیلواهم و را یک نانو فاراد انتخاب می کنیم داریم : در نیم سیکلی که ورودی مدار صفر است جریان بیس صفر و در نتیجه ترانزیستور قطع است و چون پس جریان کلتورنیز صفر و در نتیجه ولتاژ Vcc در خروجی که همان کلتور است خواهیم داشت اما در نیم سیکلی که ما ورودی مدار 5 ولت است می خواهیم ترانزیستور در ناحیه اشباع قرار گیرد و ولتاژ کلتور 0.2 ولت گردد که تقریباً صفر محسوب می شود داریم : چون امیتر زمین است ولتاژ بیس در لحظه وصل و اشباع تقریباً 0.7 ولت خواهد بود حال اگر ترانزیستور را 100 فرض کنیم داریم : که در عمل می توان از مقاومت استانداردی در این رنج استفاده کرد چون مقدار یک مقدار تئوری بوده و در عمل کمتر از آن را خواهیم داشت بهتر است از این مقاومت به عنوان استفاده شود اما نکته مهم آن است که ترانزیستوری که استفاده می کنیم بایستی قابلیت سوئیچینگ در فرکانس 40KHZ را دارا باشد به این منظور بهتر است از ترانزیستورهای سری TIP مانند TIP120/121/122 یا TIP41/41A/41B/41C استفاده نمائیم اما در صورتی که در پروژه صرفه اقتصادی مدنظر باشد می توان ترانزیستورهای ارزان قیمت تر مانند BC140 یا مشابه آن Bc141 را نیز به کار گرفت در هر حال آنچه باید در پارامترهای ترانزیستور مورد توجه قرار گیرد مورد نیاز و ماکزیمم فرکانس کاری که به عنوان سوئیچ می توان از آن استفاده کرد می باشد که با توجه به آن می توان ترانزیستور مناسب دیگری نیز انتخاب کرد.