Sensor Movimiento Ultrasonido

5/11/2018 Sensor Movimiento Ultrasonido - slidepdf.com

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Erick René Moreno Martínez, Código;300329533, [email protected] de Movimiento por Ultrasonido.

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SENSOR DE MOVIMIENTO POR ULTRASONIDOMoreno Martínez Erick René.Correo: [email protected]

1) RESUMEN DEL PROYECTO

Hoy en día, estar protegidos es prácticamente una obligación y esto incluye no sólo el interiorde nuestras viviendas sino también ambientas de gran espacio como salones, garajes, parques,patios, etc. En este proyecto se presenta un sensor de movimientos capaz de detectar

variaciones en el espacio, dentro de un radio de cobertura de más de 30 metros, lo que permitecubrir superficies de 2500 m2 o más (área circular). Los ajustes de sensibilidad y umbral

también posibilitan "calibrar" el volumen del objeto en movimiento para que una alarma no sedispare con el movimiento de un pájaro o la caída de una hoja. A su vez, se diseña para que nodetecte la caída de rayos o el molesto escape de un camión. El corazón del equipo es un par de

transductores de ultrasonido que deben ser perfectamente apareados. Cualquier modelo sepuede emplear, pero debe conocer la frecuencia exacta de trabajo para colocar los

componentes apropiados en la placa de circuito impreso.

2.1) EL ULTRASONIDO

Para comprender el Ultrasonido (o sonograma) se debe comprender el concepto de sonido:Sonido es la sensación producida a través del oído por una onda longitudinal originada por la

vibración de un cuerpo elástico y propagada por un medio material.

El Ultrasonido puede definirse como un tren de ondas mecánicas, generalmente longitudinales,originadas por la vibración de un cuerpo elástico y propagadas por un medio material y cuya

frecuencia supera la del sonido audible por el genero humano: 20.000 ciclos/s (20 KHz)aproximadamente.

Estas ondas sonoras corresponden básicamente a rarefacción y compresión periódica del

medio en el cual se desplazan se observa en la figura 1:




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Figura 1.-Ondas sonoras

Al igual que existe un espectro de ondas electromagnéticas, dentro del cual la luz visible ocupa

una mínima porción existe un espectro de vibraciones acústicas, en el cual la gama defrecuencias audibles ocupa un mínimo porcentaje.

Figura 2.- Espectro de frecuencias acústicas

Las vibraciones de un cuerpo elástico cuya frecuencia es mayor a 500 MHz se denominan

Microsonidos. Las comprendidas entre 500 MHz y 20 MHz se llaman Ultrasonido. El sonido




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audible se encuentra entre los 20 KHz y los 15 Hz. El Infrasonido se encuentra por debajo delos 15 Hz

En contraste, medios diagnósticos por imágenes utilizan ondas que corresponden al espectro

electromagnético como son La gamagrafía y la radiología convencional, por acción directa delos fotones que impresionan el material sensible y la Resonancia magnética nuclear que utilizael efecto producido por ondas de radio sobre los átomos de hidrógeno alineados por medio de

un campo magnético .

2.1.2)Historia del ultrasonido

El Ultrasonido (o sonograma) abarca el espectro de frecuencias sonoras que superan los 20.000ciclos, el cual es el límite máximo de frecuencia percibida por el oído humano.

En la naturaleza se encuentran desde tiempos inmemoriales animales que utilizan el

Ultrasonido como medio de orientación, comunicación, localización de alimentos, defensa,etc. Ejemplos de animales que utilizan el Ultrasonido (o sonograma) son: Polillas, marsopas,

pájaros, perros, murciélagos y delfines.

A continuación se e presenta una breve reseña histórica de los principales acontecimientos quehan marcado el progreso del Ultrasonido (o sonograma) en el campo médico.

En 1881, Jacques y Pierre Curie publican los resultados obtenidos al experimentar laaplicación de un campo eléctrico alternante sobre cristales de cuarzo y turmalina, los cuales

produjeron ondas sonoras de muy altas frecuencias.

En 1883 aparece el llamado silbato de Galton, usado para controlar perros por medio de sonidoinaudible a los humanos.

En 1912, abril, poco después del hundimiento del Titanic, L. F. Richardson, sugiere la

utilización de ecos ultrasónicos para detectar objetos sumergidos.

Entre 1914 y 1918, durante la Primera Guerra Mundial, se trabaja intensamente en ésta idea,intentando detectar submarinos enemigos.

En 1917, Paul Langevin y Chilowsky producen el primer generador piezoeléctrico de

Ultrasonido (o sonograma), cuyo cristal sirve también como receptor, y genera cambioseléctricos al recibir vibraciones mecánicas. El aparato se utilizo para estudiar el fondo marino,

como una sonda ultrasónica para medir profundidad.




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En 1929, Sergei Sokolov, científico ruso, propone el uso del Ultrasonido para detectar grietasen metal, y para microscopía.

Entre 1939 y 1945, durante la Segunda Guerra Mundial, el sistema inicial desarrollado por

Langevin, se convierte en el equipo de norma para detectar submarinos, conocido comoASDIC (Allied Detection Investigation Committes). Además se colocan sondas ultrasónicas enlos torpedos, las cuales los guían hacia sus blancos. Mas adelante, el sistema se convierte en el

SONAR (Sound Navegation and Ranging), cuya técnica muy mejorada es norma en lanavegación.

En 1940, Firestone desarrolla un refrectoscopio que produce pulsos cortos de energía que se

detecta al ser reflejada en grietas y fracturas.

En 1942, el psiquiatra Karl Dussik, intenta detectar tumores cerebrales registrando el paso delhaz sónico a través del cráneo. Trata de identificar los ventrículos midiendo la atenuación delUltrasonido a través del cráneo, lo que denominó "Hiperfonografía del cerebro".

Actualmente el ultrasonido tiene numerosas aplicaciones, medicas, militares, industriales, etc.

2.2) Sensores

Un sensor es un dispositivo que detecta, o sensa manifestaciones de cualidades o fenómenosfísicos, como la energía, velocidad, aceleración, tamaño, cantidad, etc.

Muchos de los sensores son eléctricos o electrónicos, aunque existen otros tipos. Un sensor es

un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita sumedida. Pueden ser de indicación directa o pueden estar conectados a un indicador(posiblemente a través de un convertidor analógico a digital, un computador y un display

) de

modo que los valores sensados puedan ser leídos por un humano.

Por lo general la señal de salida los estos sensores no es apta para su procesamiento, por lo quese usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, y

amplificadores que adaptan la señal a los niveles apropiados para el resto de la circuitería.

2.3) Transductores

Es el medio por el cual la energía eléctrica se convierte en energía mecánica o viceversa.

Opera debido al efecto piezoeléctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando setensionan, se polarizan eléctricamente y generan voltaje eléctrico entre las superficies

opuestas. Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a través las caras de uncristal, se produce una deformación del mismo. Este efecto microscópico se origina por laspropiedades de simetría de algunos cristales.




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3) DESARROLLO

3.1) Especificaciones

Las frecuencias que se eligen para la realización de equipos generadores y receptores deultrasonidos se ubican por encima de los 20kHz (20.000 ciclos por segundo). La gama de

frecuencias empleada va desde 35kHz hasta 45kHz, ya que es ésta la elegida por losfabricantes de transductores, que son los elementos encargados de realizar la “traducción”necesaria fundamental para efectuar la emisión y la recepción de las señales. En el sistema,

trabajamos con una frecuencia de 40kHz; si bien no hay ningún inconveniente en operar confrecuencias diferentes, si se emplean los transductores apropiados.

Un comando por ultrasonidos, está normalmente compuesto por dos equipos. Uno será el

generador y emisor de un haz de ultrasonidos, que será recogido por el receptor, con un nivelde señal pequeño, por lo cual será necesario amplificar esas señales captadas con el objeto de

conseguir el suficiente nivel para excitar un sistema de disparo (de una alarma, por ejemplo),luego de realizar la correspondiente transformación a niveles de continua.

De esta forma, el receptor se comportará como un interruptor que comandará un circuitoexterior a través de un conector apropiado.

3.2) Diagrama a bloques de transmisor y receptor

En la figura 3 se presenta el diagrama en bloques que describe el funcionamiento del equipotransmisor.




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Figura 3.- Diagrama a bloques del transmisor

En él se observa que existe un oscilador encargado de generar la señal de 40kHz necesaria paraestablecer el enlace, dicha señal es amplificada convenientemente y luego enviada hacia eltransductor que dará origen a la onda de ultrasonido.

En la figura 4 se muestra el diagrama en bloques de un receptor, el cual consiste básicamenteen un amplificador que aumenta el nivel de la señal captada por el transductor y un convertidor

de dicha señal a niveles de continua, capaces de provocar el accionamiento de un reléencargado de poner en marcha un equipo auxiliar que dependerá del uso que le demos a

nuestro dispositivo.

Figura 4.- Diagrama a bloques del receptor

El dispositivo que proponemos emplea al transmisor y al receptor de ultrasonidos en la mismaplaca de modo que, al estar ubicada en una posición estratégica el receptor capta la señal

emitida por el transmisor y aquellas que surjen de “rebotes” de la señal transmitida en paredesy otros objetos. Al colocar transductores apareados y de buena calidad, es posible captar

señales reflejadas que han rebotado a más de 30 metros del transmisor, con lo cual es posible“cubrir” un área circular de más de 2800 metros cuadrados.




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3.3) FUNCIONAMIENTO DEL PROYTECTO

Para explicar el funcionamiento del circuito, se debe decir que posee tres etapas distintas, quese detallan a continuación:

Etapa transmisora

Etapa receptora

Etapa reaseguro o histéresis

3.3.1) El efecto Doppler

El principio de funcionamiento se basa en el efecto Doppler, que básicamente consiste en que

una frecuencia acústica sufre una variación proporcional a su velocidad de desplazamiento.

Este fenómeno no sólo se produce en las frecuencias acústicas, sino también en la deultrasonido y RF.

El efecto Doppler se percibe cuando se tiene la sensación de que el “silbido” de la máquina

de un tren en movimiento, emite una frecuencia más aguda al aproximarse y más baja a

medida que el tren se aleja, aunque en realidad la sirena posee siempre la misma frecuencia.

En este proyecto, es la persona extraña la que, al moverse, provoca este efecto Doppler.

Cuando el transductor transmisor emite una frecuencia de 40.000Hz, parte de esta señal llegadirectamente al transductor receptor, a la que se le superpone la onda reflejada, que llega desde

las paredes, y otros objetos existentes en la habitación.

Esta última, al llegar con retraso respecto de la onda directa, tiene una frecuencia ligeramentedistinta, que se mezcla con la onda directa produciendo un batido de señales.

Suponiendo que la frecuencia de la señal reflejada sea de 39.970Hz, al mezclarse con los

40.000Hz, por diferencia se obtiene:

40.000 – 39.970 = 30Hz.

Cuando se produce un movimiento de objetos, por ejemplo, cuando ingresa una persona, lasondas reflejadas rebotan en su cuerpo y, en consecuencia, se reduce la distancia que recorren y

aumenta la frecuencia, que puede llegar a 39.980, por ejemplo, al mezclarse con los 40.000Hz,se obtiene una diferencia de:

40.000 – 39.980 = 20Hz




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Se puede apreciar que existe una variación de 20Hz, con respecto a la frecuencia original y de10Hz cuando se produce un movimiento.

En general, la variación de frecuencia de la onda reflejada varia entre 5Hz y 50Hz,

dependiendo de la distancia a la que se encuentre el objeto en movimiento y justamente sedebe “detectar esta variación” para producir el disparo de un sistema de alerta.

3.4) Construcción y explicación del circuito

La construcción de la etapa transmisora, se basa en el circuito de la figura 5

Figura 5.- Construcción de la etapa transmisora

El integrado IC6 es un CD.4011, que contiene cuatro puertas NAND de dos entradas, mientrasque IC1 es un contador síncrono binario doble.

La primera compuerta NAND (terminales 5, 6 y 4 del IC6), junto con los dos condensadoresC18 y C17, la resistencia R25 y la impedancia J1, conforman un oscilador de onda cuadradamuy estable, capaz de generar una frecuencia de 320kHz.




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Esto es así porque C17 y C18 (que a los fines del circuito resonante están en serie) junto conJ1 poseen una frecuencia de resonancia que se obtiene de la formula (1):

LC f

π2

1=

(1)

Como C17 en serie con C18 presentan una capacidad de 1nF (1,1 x 10-9F) y J1 posee unaimpedancia de 180µH (180 x 10-6H), al reemplazar valores:

96 101.1101802

1−−

⋅⋅⋅

=

π

f

Hz f 674.357=

Luego, como en paralelo con C17 y C18 existen capacitores variables (Cv1 y Cv2) del tipo

“tandem” plástico 20x20 de los usados en radios portátiles, se ajustan para que la frecuenciafinal sea de 320kHz.

Si no consigue J1 de 180µH, se puede reemplazar por cualquier otro valor comercial (entre

10µH y 500µH) y luego calcular la capacidad que precisa por medio de la fórmula (2):

( ) L f C

⋅⋅⋅

=2

2

1

π

(2)

Luego, C17 y C18 son dos capacitares de igual valor y del doble de la capacidad encontradapor la fórmula anterior.

La señal de 320kHz se aplica a la pata 2 del integrado IC1 donde su frecuencia es dividida por8, y se obtiene la salida en el terminal 5.

320.000 : 8 = 40.000Hz

De esta manera se obtiene una señal de frecuencia correcta para la excitación de transductoresultrasónicos convencionales. Si consigue otro par de transductores que operen en una

frecuencia diferente (por ejemplo, 35kHz), se deberá modificar el valor de los capacitores C17y C18 para que el primer oscilador trabaje a una frecuencia diferente (en nuestro nuevo casosería 280kHz).




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Nótese que no se construye un oscilador de 40kHz directamente porque el rendimiento de lostransductores es máximo para esta frecuencia con un ancho de banda del orden del 5% de lafrecuencia central, por lo cual, si se tiene en cuenta la tolerancia habitual de las resistencias y

de los capacitores para realizar un oscilador que opere en 40kHz, es difícil mantenerse dentrode la tolerancia.

Se ha comprobado que al trabajar con una frecuencia superior después hacer la

correspondiente división, se opera con un mejor margen sin inconvenientes.

La señal de frecuencia igual a 40kHz presente en la pata 5 de IC1, se aplica a las entradas deotras dos NAND de IC6 que se utilizan como drivers amplificadores de corriente para excitar

al transductor transmisor.

La cápsula transmisora, se aplican dos señales en oposición de fase que serán emitidas pero nopodrán percibirse por oídos humanos.

En la figura 6 se observa un detalle de la placa de circuito impreso con los componentes

correspondientes al transmisor.

Figura 6.- Componentes del transmisor

La etapa receptora incluye un FET y cuatro amplificadores operacionales del tipo LF356 tal

como se observa en el circuito de la figura 7.




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Figura 7

La frecuencia ultrasónica generada por el transductor transmisor es captada por el receptor y

amplificada por el FET Q1. Dicho transistor posee un circuito resonante a la frecuencia detrabajo (40kHz) fijada por J2 y C20. Aquí se deben hacer las mismas consideraciones que parael caso del transmisor, es decir, si se tiene dificultades en conseguir una inductancia de ese

valor, se emplea otra y se calcula el capacitor con la fórmula dada, teniendo en cuenta queahora la frecuencia de sintonía es de 40kHz y no de 320kHz (ya que el receptor opera en esta

frecuencia). La señal amplificada se rectifica con los dos diodos D1 y D2, por lo que en losextremos del condensador C3 hay una tensión continua que será bloqueada por el capacitor

C4, para que no llegue a la pata 3 de CI3.

Si se mueve un objeto, las ondas recorrerán un trayecto distinto para alcanzar la cápsula

receptora y, debido al efecto Doppler, la señal varía en amplitud y en frecuencia, tal como lo seha explicado anteriormente.

De esta manera, durante el movimiento, Q1 amplificará una señal de frecuencia variable, con

lo cual, dicha variación podrá “pasar” C4 y llegar hasta la entrada no inversora del operacionalCI3.

Esta nueva señal que surge de la variación de frecuencias de la señal de ultrasonido captada, se

amplifica en CI3 y CI4 que están proyectados para amplificar únicamente las frecuenciassubsónicas, comprendidas entre 5 y 50Hz, aproximadamente, pero no las frecuenciassuperiores.

Al limitar la banda de amplificación a frecuencias de hasta 50Hz, se evita el disparo por

truenos o el paso de vehículos.




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Con P1 se ajusta la sensibilidad, ya que con él se modifica la ganancia del primer amplificadoroperacional.

La señal amplificada por CI3 y CI4 se transfiere, a través del condensador electrolítico C11, a

los dos diodos D3 y D4 que entregan una tensión continua de carga a C12.

Este capacitor está conectado a la pata no inversora de C15 y, como la pata inversora de estemismo operacional recoge una tensión de referencia del potenciómetro P2, mientras la tensiónen la entrada no inversora se mantenga por debajo de la tensión existente en la pata inversora,

en la salida de dicho operacional se presenta un nivel lógico 0, que mantendrá cortado altransistor Q2 y el relé no será operado.

Cuando la tensión positiva en la pata no inversora supera la existente en la entrada inversora,

como consecuencia de la detección de un movimiento, en la salida de este operacional seproduce un nivel lógico “1”, que polariza a la base del transistor Q2, excitando el relé.




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Figura 9.-Circuito eléctrico del sensor




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En el circuito eléctrico completo del sensor, que aparece en la figura 9, se observa un tercerbloque formado por CI2 y sus componentes asociados. Para explicar su función, digamos quecada vez que se enciende el dispositivo, hasta que C13 no se haya “cargado” totalmente, se

produce un paso de tensión positiva a través del Terminal negativo de CI2, por lo que alTerminal no inversor llega una tensión positiva que en el instante inicial es de 12V y luego va

decreciendo, conforme a la carga de C13.

Como en la pata inversora hay 4,5V de tensión, fijada por el divisor resistivo formado porR18, P2 y R20, en la salida de dicho operacional se produce un nivel lógico 1 que, aplicado en

la pata de reset 7 de IC1, bloquea la etapa divisora del CSD4520 y al transductor transmisor nole llegará la señal de 40kHz. Ese nivel lógico 1, se aplica también a la pata no inversora deCI5, modificando el nivel de umbral que previamente se ha fijado por medio del trimmer P2.

Con esto, la salida de CI5 se mantiene “forzada” en un nivel lógico bajo, lo que impide que el

transistor Q2 conduzca y active el relé.

Transcurridos estos 15 segundos, cuando C13 se haya cargado totalmente, en la pata 6 de CI2tendremos un “0” lógico; que se aplica al reset del divisor, y se produce la emisión de señal.

Por otra parte, D9 no conduce, y en la pata 2 de CI estará nuevamente presente la tensiónfijada por P2.

Cuando el relé se activa, automáticamente se presenta, en el colector del transistor Q2, un nivel

lógico 0, es decir que este terminal queda eléctricamente conectado “a masa”.

Este nivel hará disminuir la tensión presente en la pata 2 de CI2, debido a la presencia de R17.Esto también obliga a que disminuya la tensión en pata 2 de CI5, con lo cual deberádescargarse C12, dado que la tensión entre entradas de un operacional, es siempre mínima.

En la práctica, C12 tiene que descargarse totalmente, por lo que cualquier pequeño

movimiento realizado por la persona extraña que ha penetrado en la habitación, impedirá queeste condensador “descendiera” por debajo de este nuevo umbral.

El led L1, que se enciende cada vez que opera el relé, sirve como verificación del

funcionamiento del dispositivo.




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3.5)Lista de materiales

Figura 10.- Lista de materiales

4.1) ESPECIFICACIONES

Para alimentar este circuito se requiere una tensión de 12V.

En condiciones pasivas, el circuito consume menos de 20mA y, con el relé excitado, 50mA.

Una vez construido el circuito impreso, se puede realizar el montaje del dispositivo, sin que

esto exija cuidados especiales.

Lo primero que se hace es verificar la frecuencia de salida del transmisor y para esto precisa

un frecuencímetro. Se coloca el instrumento en la pata 5 de CI1 y ajuste Cv para obtener unalectura de 80kHz.

Para realizar el ajuste se opera sobre los potenciómetros P1 y P2.




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En primer lugar se dejan los resistores variables en la mitad de su recorrido y se aplica latensión de alimentación.

Para mayor seguridad, luego de 30 segundos, se moverá cerca del radar y se verá cómo se

enciende el led y se conecta el relé.

4.2) RECOMENDACIONES

A diferencia de los sensores pirométricos, el radar por ultrasonido, detecta movimientos encualquier sector de la habitación en la que se encuentren los transductores (ya sea por delante opor detrás), por lo tanto, cuanto más grande sea el ambiente, mayor deberá ser la sensibilidad,

para lo cual se debe ajustar P1, para que tenga una resistencia más baja. Esto se consiguecorriendo el cursor de P1 en sentido horario.

El umbral de disparo no deberá ser muy alto, para lo cual se deberá realizar el ajuste

correspondiente sobre P2.

Cuando se debe cubrir una distancia superior a los 5 metros desde el lugar donde se coloquenlos transductores, es aconsejable ajustar P1 para tener máxima sensibilidad y P2 a un tercio de

su recorrido (umbral bajo), luego debemos movernos por la habitación y comprobar que al darunos pasos se encienda el led. Si esto no ocurre, reducimos aún más la tensión de umbral y sila sensibilidad es excesiva, damos una tensión de umbral mayor.

Ajustamos P1 solamente si la habitación es chica (menos de 4 metros de distancia a los

sensores).

El contacto del relé podrá accionar un sistema de alarma, un control de procesos, etc.

4.3) CONCLUSIONES

El desarrollo de este proyecto puede ser muy útil y practico, como ya se dijo, la seguridadpersonal es muy importante hoy día, además de no ser muy difícil de armar dicho proyecto es

perfectamente ajustable para adaptarse a diversos lugares por lo que su utilización es diversa ymuy recomendable para cualquier persona.

Cabe aclarar que, colocando los transductores en lugares estratégicos y con el dispositivo

perfectamente ajustado, con este dispositivo se pueden cubrir superficies de más de 2.500 m2,(muy buen alcance).

Se aconseja conectar el sensor a una alarma, sin embargo se puede utilizar un circuito más

complejo para procesar la señal obtenida del sensor.




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5) REFERENCIAS BIBLIOGRAFICAS

[1]http://www.clubse.com.ar

[2]http://drgdiaz.com/eco/ultrasonido/ultrasonidos/ultrasonido.shtml

[3]http://www.wikipedia.com

[4]http://www.google.com

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