Sensor Movimiento Ultrasonido

Erick Ren Moreno Martnez, Cdigo;300329533, [email protected] Sensor de Movimiento por Ultrasonido.

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SENSOR DE MOVIMIENTO POR ULTRASONIDO

Moreno Martnez Erick Ren. Correo: [email protected]

1) RESUMEN DEL PROYECTO Hoy en da, estar protegidos es prcticamente una obligacin y esto incluye no slo el interior de nuestras viviendas sino tambin 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 ms de 30 me tros, lo que permite cubrir superficies de 2500 m2 o ms (rea circular). Los ajustes de sensibilidad y umbral tambin posibilitan "calibrar" el volumen del objeto en movimiento para que una alarma no se dispare con el movimiento de un pjaro o la cada de una hoja. A su vez, se disea para que no detecte la cada de rayos o el molesto escape de un camin. El corazn del equipo es un par de transductores de ultrasonido que deben ser perfectamente apareados. Cualquier modelo se puede 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 sensacin producida a travs del odo por una onda longitudinal originada por la vibracin de un cuerpo elstico y propagada por un medio material.

El Ultrasonido puede definirse como un tren de ondas mecnicas, generalmente longitudinales, originadas por la vibracin de un cuerpo elstico 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 bsicamente a rarefaccin y compresin peridica 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 electromagnticas, dentro del cual la luz visible ocupa una mnima porcin existe un espectro de vibraciones acsticas, en el cual la gama de frecuencias audibles ocupa un mnimo porcentaje.

Figura 2.- Espectro de frecuencias acsticas

Las vibraciones de un cuerpo elstico 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 de los 15 Hz

En contraste, medios diagnsticos por imgenes utilizan ondas que corresponden al espectro electromagntico como son La gamagrafa y la radiologa convencional, por accin directa de los fotones que impresionan el material sensible y la Resonancia magntica nuclear que utiliza el efecto producido por ondas de radio sobre los tomos de hidrgeno alineados por medio de un campo magntico .

2.1.2)Historia del ultrasonido

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

En la naturaleza se encuentran desde tiempos inmemoriales animales que utilizan el Ultrasonido como medio de orientacin, comunicacin, localizacin de alimentos, defensa, etc. Ejemplos de animales que utilizan el Ultrasonido (o sonograma) son: Polillas, marsopas, pjaros, perros, murcilagos y delfines.

A continuacin se e presenta una breve resea histrica de los principales acontecimientos que han marcado el progreso del Ultrasonido (o sonograma) en el campo mdico.

En 1881, Jacques y Pierre Curie publican los resultados obtenidos al experimentar la aplicacin de un campo elctrico 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 sonido inaudible a los humanos.

En 1912, abril, poco despus del hundimiento del Titanic, L. F. Richardson, sugiere la utilizacin de ecos ultrasnicos para detectar objetos sumergidos.

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

En 1917, Paul Langevin y Chilowsky producen el primer generador piezoelctrico de Ultrasonido (o sonograma), cuyo cristal sirve tambin como receptor, y genera cambios elctricos al recibir vibraciones mecnicas. El aparato se utilizo para estudiar el fondo marino, como una sonda ultrasnica para medir profundidad.


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En 1929, Sergei Sokolov, cientfico ruso, propone el uso del Ultrasonido para detectar grietas en metal, y para microscopa.

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 como ASDIC (Allied Detection Investigation Committes). Adems se colocan sondas ultrasnicas en los torpedos, las cuales los guan hacia sus blancos. Mas adelante, el sistema se convierte en el SONAR (Sound Navegation and Ranging), cuya tcnica muy mejorada es norma en la navegacin.

En 1940, Firestone desarrolla un refrectoscopio que produce pulsos cortos de energa que se detecta al ser reflejada en grietas y fracturas.

En 1942, el psiquiatra Karl Dussik, intenta detectar tumores cerebrales registrando el paso del haz snico a travs del crneo. Trata de identificar los ventrculos midiendo la atenuacin del Ultrasonido a travs del crneo, lo que denomin "Hiperfonografa 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 fenmenos fsicos, como la energa, velocidad, aceleracin, tamao, cantidad, etc.

Muchos de los sensores son elctricos o electrnicos, aunque existen otros tipos. Un sensor es un tipo de transductor que transforma la magnitud que se quiere medir, en otra, que facilita su medida. Pueden ser de indicacin directa o pueden estar conectados a un indicador (posiblemente a travs de un convertidor analgico a digital, un computador y un display) de modo que los valores sensados puedan ser ledos por un humano.

Por lo general la seal de salida los estos sensores no es apta para su procesamiento, por lo que se usa un circuito de acondicionamiento, como por ejemplo un puente de Wheatstone, y amplificadores que adaptan la seal a los niveles apropiados para el resto de la circuitera.

2.3) Transductores Es el medio por el cual la energa elctrica se convierte en energa mecnica o viceversa. Opera debido al efecto piezoelctrico, el cual consiste en que ciertos cristales cuando se tensionan, se polarizan elctricamente y generan voltaje elctrico entre las superficies opuestas. Esto es reversible en el sentido de que al aplicar un voltaje a travs las caras de un cristal, se produce una deformacin del mismo. Este efecto microscpico se origina por las propiedades de simetra de algunos cristales.


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3) DESARROLLO

3.1) Especificaciones

Las frecuencias que se eligen para la realizacin de equipos generadores y receptores de ultrasonidos 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 sta la elegida por los fabricantes de transductores, que son los elementos encargados de realizar la traduccin necesaria fundamental para efectuar la emisin y la recepcin de las seales. En el sistema, trabajamos con una frecuencia de 40kHz; si bien no hay ningn inconveniente en operar con frecuencias diferentes, si se emplean los transductores apropiados.

Un comando por ultrasonidos, est normalmente compuesto por dos equipos. Uno ser el generador y emisor de un haz de ultrasonidos, que ser recogido por el receptor, con un nivel de seal pequeo, por lo cual ser necesario amplificar esas seales 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 transformacin a niveles de continua.

De esta forma, el receptor se comportar como un interruptor que comandar un circuito exterior a travs 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 equipo transmisor.


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Figura 3.- Diagrama a bloques del transmisor

En l se observa que existe un oscilador encargado de generar la seal de 40kHz necesaria para establecer el enlace, dicha seal es amplificada convenientemente y luego enviada hacia el transductor que dar origen a la onda de ultrasonido.

En la figura 4 se muestra el diagrama en bloques de un receptor, el cual consiste bsicamente en un amplificador que aumenta el nivel de la seal captada por el transductor y un convertidor de dicha seal a niveles de continua, capaces de provocar el accionamiento de un rel encargado de poner en marcha un equipo auxiliar que depender 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 misma placa de modo que, al estar ubicada en una posicin estratgica el receptor capta la seal emitida por el transmisor y aquellas que surjen de rebotes de la seal transmitida en paredes y otros objetos. Al colocar transductores apareados y de buena calidad, es posible captar seales reflejadas que han rebotado a ms de 30 metros del transmisor, con lo cual es posible cubrir un rea circular de ms 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, que se detallan a continuacin:

Etapa transmisora Etapa receptora Etapa reaseguro o histresis

3.3.1) El efecto Doppler

El principio de funcionamiento se basa en el efecto Doppler, que bsicamente consiste en que una frecuencia acstica sufre una variacin proporcional a su velocidad de desplazamiento.

Este fenmeno no slo se produce en las frecuencias acsticas, sino tambin en la de ultrasonido y RF.

El efecto Doppler se percibe cuando se tiene la sensacin de que el silbido de la mquina de un tren en movimiento, emite una frecuencia ms aguda al aproximarse y ms baja a medida que el tren se aleja, aunque en realidad la sirena posee siempre la misma frecuencia.

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

Cuando el transductor transmisor emite una frecuencia de 40.000Hz, parte de esta seal llega directamente al transductor receptor, a la que se le superpone la onda reflejada, que llega desde las paredes, y otros objetos existentes en la habitacin.

Esta ltima, al llegar con retraso respecto de la onda directa, tiene una frecuencia ligeramente distinta, que se mezcla con la onda directa produciendo un batido de seales.

Suponiendo que la frecuencia de la seal 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, las ondas 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 variacin de 20Hz, con respecto a la frecuencia original y de 10Hz cuando se produce un movimiento.

En general, la variacin 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 se debe detectar esta variacin para producir el disparo de un sistema de alerta.

3.4) Construccin y explicacin del circuito

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

Figura 5.- Construccin de la etapa transmisora

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

La primera compuerta NAND (terminales 5, 6 y 4 del IC6), junto con los dos condensadores C18 y C17, la resistencia R25 y la impedancia J1, conforman un oscilador de onda cuadrada muy estable, capaz de generar una frecuencia de 320kHz.


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Esto es as porque C17 y C18 (que a los fines del circuito resonante estn en serie) junto con J1 poseen una frecuencia de resonancia que se obtiene de la formula (1):

LCf

p21

=

(1)

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

96 101.1101802

1--

=p

f

Hzf 674.357=

Luego, como en paralelo con C17 y C18 existen capacitores variables (Cv1 y Cv2) del tipo tandem plstico 20x20 de los usados en radios porttiles, se ajustan para que la frecuencia final sea de 320kHz.

Si no consigue J1 de 180H, se puede reemplazar por cualquier otro valor comercial (entre 10H y 500H) y luego calcular la capacidad que precisa por medio de la frmula (2):

( ) LfC

= 22

1p

(2) Luego, C17 y C18 son dos capacitares de igual valor y del doble de la capacidad encontrada por la frmula anterior.

La seal de 320kHz se aplica a la pata 2 del integrado IC1 donde su frecuencia es dividida por 8, y se obtiene la salida en el terminal 5.

320.000 : 8 = 40.000Hz

De esta manera se obtiene una seal de frecuencia correcta para la excitacin de transductores ultrasnicos convencionales. Si consigue otro par de transductores que operen en una frecuencia diferente (por ejemplo, 35kHz), se deber modificar el valor de los capacitores C17 y C18 para que el primer oscilador trabaje a una frecuencia diferente (en nuestro nuevo caso sera 280kHz).


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Ntese que no se construye un oscilador de 40kHz directamente porque el rendimiento de los transductores es mximo para esta frecuencia con un ancho de banda del orden del 5% de la frecuencia 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 difcil mantenerse dentro de la tolerancia.

Se ha comprobado que al trabajar con una frecuencia superior despus hacer la correspondiente divisin, se opera con un mejor margen sin inconvenientes.

La seal de frecuencia igual a 40kHz presente en la pata 5 de IC1, se aplica a las entradas de otras dos NAND de IC6 que se utilizan como drivers amplificadores de corriente para excitar al transductor transmisor.

La cpsula transmisora, se aplican dos seales en oposicin de fase que sern emitidas pero no podrn percibirse por odos 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 ultrasnica 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 de trabajo (40kHz) fijada por J2 y C20. Aqu se deben hacer las mismas consideraciones que para el 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 frmula dada, teniendo en cuenta que ahora la frecuencia de sintona es de 40kHz y no de 320kHz (ya que el receptor opera en esta frecuencia). La seal amplificada se rectifica con los dos diodos D1 y D2, por lo que en los extremos del condensador C3 hay una tensin continua que ser bloqueada por el capacitor C4, para que no llegue a la pata 3 de CI3.

Si se mueve un objeto, las ondas recorrern un trayecto distinto para alcanzar la cpsula receptora y, debido al efecto Doppler, la seal vara en amplitud y en frecuencia, tal como lo se ha explicado anteriormente.

De esta manera, durante el movimiento, Q1 amplificar una seal de frecuencia variable, con lo cual, dicha variacin podr pasar C4 y llegar hasta la entrada no inversora del operacional CI3.

Esta nueva seal que surge de la variacin de frecuencias de la seal de ultrasonido captada, se amplifica en CI3 y CI4 que estn proyectados para amplificar nicamente las frecuencias subsnicas, comprendidas entre 5 y 50Hz, aproximadamente, pero no las frecuencias superiores.

Al limitar la banda de amplificacin a frecuencias de hasta 50Hz, se evita el disparo por truenos o el paso de vehculos.


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Con P1 se ajusta la sensibilidad, ya que con l se modifica la ganancia del primer amplificador operacional.

La seal amplificada por CI3 y CI4 se transfiere, a travs del condensador electroltico C11, a los dos diodos D3 y D4 que entregan una tensin continua de carga a C12.

Este capacitor est conectado a la pata no inversora de C15 y, como la pata inversora de este mismo operacional recoge una tensin de referencia del potencimetro P2, mientras la tensin en la entrada no inversora se mantenga por debajo de la tensin existente en la pata inversora, en la salida de dicho operacional se presenta un nivel lgico 0, que mantendr cortado al transistor Q2 y el rel no ser operado.

Cuando la tensin positiva en la pata no inversora supera la existente en la entrada inversora, como consecuencia de la deteccin de un movimiento, en la salida de este operacional se produce un nivel lgico 1, que polariza a la base del transistor Q2, excitando el rel.


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Figura 9.-Circuito elctrico del sensor


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En el circuito elctrico completo del sensor, que aparece en la figura 9, se observa un tercer bloque formado por CI2 y sus componentes asociados. Para explicar su funcin, digamos que cada vez que se enciende el dispositivo, hasta que C13 no se haya cargado totalmente, se produce un paso de tensin positiva a travs del Terminal negativo de CI2, por lo que al Terminal no inversor llega una tensin 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 tensin, fijada por el divisor resistivo formado por R18, P2 y R20, en la salida de dicho operacional se produce un nivel lgico 1 que, aplicado en la pata de reset 7 de IC1, bloquea la etapa divisora del CSD4520 y al transductor transmisor no le llegar la seal de 40kHz. Ese nivel lgico 1, se aplica tambin a la pata no inversora de CI5, 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 lgico bajo, lo que impide que el transistor Q2 conduzca y active el rel.

Transcurridos estos 15 segundos, cuando C13 se haya cargado totalmente, en la pata 6 de CI2 tendremos un 0 lgico; que se aplica al reset del divisor, y se produce la emisin de seal. Por otra parte, D9 no conduce, y en la pata 2 de CI estar nuevamente presente la tensin fijada por P2.

Cuando el rel se activa, automticamente se presenta, en el colector del transistor Q2, un nivel lgico 0, es decir que este terminal queda elctricamente conectado a masa.

Este nivel har disminuir la tensin presente en la pata 2 de CI2, debido a la presencia de R17. Esto tambin obliga a que disminuya la tensin en pata 2 de CI5, con lo cual deber descargarse C12, dado que la tensin entre entradas de un operacional, es siempre mnima.

En la prctica, C12 tiene que descargarse totalmente, por lo que cualquier pequeo movimiento realizado por la persona extraa que ha penetrado en la habitacin, impedir que este condensador descendiera por debajo de este nuevo umbral.

El led L1, que se enciende cada vez que opera el rel, sirve como verificacin 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 tensin de 12V.

En condiciones pasivas, el circuito consume menos de 20mA y, con el rel 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 frecuencmetro. Se coloca el instrumento en la pata 5 de CI1 y ajuste Cv para obtener una lectura de 80kHz.

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


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

Para mayor seguridad, luego de 30 segundos, se mover cerca del radar y se ver cmo se enciende el led y se conecta el rel.

4.2) RECOMENDACIONES

A diferencia de los sensores piromtricos, el radar por ultrasonido, detecta movimientos en cualquier sector de la habitacin en la que se encuentren los transductores (ya sea por delante o por detrs), por lo tanto, cuanto ms grande sea el ambiente, mayor deber ser la sensibilidad, para lo cual se debe ajustar P1, para que tenga una resistencia ms baja. Esto se consigue corriendo el cursor de P1 en sentido horario.

El umbral de disparo no deber ser muy alto, para lo cual se deber realizar el ajuste correspondiente sobre P2.

Cuando se debe cubrir una distancia superior a los 5 metros desde el lugar donde se coloquen los transductores, es aconsejable ajustar P1 para tener mxima sensibilidad y P2 a un tercio de su recorrido (umbral bajo), luego debemos movernos por la habitacin y comprobar que al dar unos pasos se encienda el led. Si esto no ocurre, reducimos an ms la tensin de umbral y si la sensibilidad es excesiva, damos una tensin de umbral mayor.

Ajustamos P1 solamente si la habitacin es chica (menos de 4 metros de distancia a los sensores).

El contacto del rel podr accionar un sistema de alarma, un control de procesos, etc.

4.3) CONCLUSIONES

El desarrollo de este proyecto puede ser muy til y practico, como ya se dijo, la seguridad personal es muy importante hoy da, adems de no ser muy difcil de armar dicho proyecto es perfectamente ajustable para adaptarse a diversos lugares por lo que su utilizacin es diversa y muy recomendable para cualquier persona.

Cabe aclarar que, colocando los transductores en lugares estratgicos y con el dispositivo perfectamente ajustado, con este dispositivo se pueden cubrir superficies de ms de 2.500 m2, (muy buen alcance).

Se aconseja conectar el sensor a una alarma, sin embargo se puede utilizar un circuito ms complejo para procesar la seal 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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