پروژه راه انداز سنسورالتراسونیک

یکی از سنسور های مهم که در ربات های هوشمند مسیریاب،سنسورهای سنجش قد و بسیاری دیگر از لوازم الکترونیکی استفاده میشود سنسور التراسونیک است. در این مقاله قصد داریم با انجام یک پروژه ی عملی راه اندازی و استفاده ی کامل از سنسور التراسونیک را توضیح دهیم اما پیش از آن کمی  بیشتر با آن آشنا می شویم.

سنسور التراسونیک چیست؟

سنسورهای التراسونیک دستگاه‌هایی هستند که از امواج صوتی با فرکانس بالا (بالاتر از ۲۰ کیلوهرتز) برای تشخیص و اندازه‌گیری فاصله و سرعت اشیاء استفاده می‌کنند. این سنسورها کاربردهای گسترده‌ای در صنعت، خودروسازی، رباتیک، پزشکی و بسیاری از حوزه‌های دیگر دارند. سنسورهای التراسونیک به دلیل دقت بالا، قابلیت اطمینان و سازگاری با شرایط مختلف محیطی به یکی از مهم‌ترین ابزارهای اندازه‌گیری تبدیل شده‌اند. سنسو

در مرحله ی بعد در قسمت ستاپ پین مود های خود را مشخص میکنیم که در اینجا پایه Echo ورودی و پایه Trig خروجی می باشد و از آنجایی که میخواهیم میزان فاصله را مشاهده کنیم از تابع Serial.begin(9600) استفاده میکنیم.

رهای التراسونیک بر اساس اصل انتشار و انعکاس امواج صوتی کار می‌کنند. این سنسورها شامل یک فرستنده و یک گیرنده هستند. فرستنده امواج صوتی با فرکانس بالا را به سمت شیء مورد نظر ارسال می‌کند. این امواج پس از برخورد با شیء، منعکس شده و به گیرنده بازمی‌گردند. زمان رفت و برگشت امواج اندازه‌گیری شده و بر اساس سرعت صوت در هوا، فاصله تا شیء محاسبه می‌شود.

اجزاء و ساختار سنسورهای التراسونیک

فرستنده: 

بخشی از سنسور که امواج صوتی را تولید و ارسال می‌کند. این امواج معمولاً توسط یک کریستال پیزوالکتریک تولید می‌شوند که با اعمال ولتاژ، ارتعاش کرده و امواج صوتی ایجاد می‌کند.

گیرنده: 

بخشی که امواج منعکس شده را دریافت و تشخیص می‌دهد. گیرنده نیز از یک کریستال پیزوالکتریک تشکیل شده که امواج صوتی را به سیگنال‌های الکتریکی تبدیل می‌کند.

مدار پردازش سیگنال:

 سیگنال‌های دریافتی از گیرنده را تقویت، فیلتر و پردازش می‌کند تا زمان رفت و برگشت امواج به دقت اندازه‌گیری شود.

واحد محاسبه و نمایش: 

اطلاعات پردازش شده را به صورت دیجیتال یا آنالوگ نمایش می‌دهد و امکان ارتباط با سیستم‌های دیگر را فراهم می‌کند.

کاربردهای سنسورهای التراسونیک

۱. صنعت

در صنعت، سنسورهای التراسونیک برای اندازه‌گیری سطح مایعات و جامدات در مخازن، تشخیص موقعیت و فاصله اجسام در خطوط تولید و کنترل کیفیت محصولات استفاده می‌شوند. این سنسورها می‌توانند در شرایط سخت محیطی کار کنند و نتایج دقیقی ارائه دهند.

۲. خودروسازی

در خودروها، سنسورهای التراسونیک برای سیستم‌های پارکینگ، هشدارهای برخورد و سیستم‌های کمک راننده استفاده می‌شوند. این سنسورها به رانندگان کمک می‌کنند تا از موانع موجود در اطراف خودرو مطلع شوند و از تصادفات جلوگیری کنند.

۳. رباتیک

در رباتیک، سنسورهای التراسونیک برای ناوبری و تشخیص موانع استفاده می‌شوند. این سنسورها به ربات‌ها امکان می‌دهند تا محیط اطراف خود را شناسایی کرده و مسیرهای بهینه را برای حرکت انتخاب کنند.

۴. پزشکی

در پزشکی، سنسورهای التراسونیک برای تصویربرداری پزشکی، اندازه‌گیری جریان خون و تشخیص تومورها به کار می‌روند. این سنسورها امکان بررسی غیرتهاجمی وضعیت داخلی بدن را فراهم می‌کنند.

۵. امنیت و نظارت

سنسورهای التراسونیک در سیستم‌های امنیتی و نظارتی برای تشخیص حضور افراد در مناطق مختلف و کنترل دسترسی به کار می‌روند. این سنسورها می‌توانند حرکت و وجود افراد را با دقت بالا تشخیص دهند.

مزایا و معایب سنسورهای التراسونیک

مزایا

دقت بالا:

سنسورهای التراسونیک قادر به اندازه‌گیری دقیق فاصله و موقعیت اجسام هستند.

عدم تأثیر از نور و رنگ:

این سنسورها تحت تأثیر نور محیط و رنگ اجسام قرار نمی‌گیرند، که آنها را برای شرایط مختلف مناسب می‌سازد.

قابلیت کار در محیط‌های سخت:

سنسورهای التراسونیک می‌توانند در محیط‌های دارای گرد و غبار، رطوبت و دمای متغیر به خوبی کار کنند.

معایب

حساسیت به دما و فشار:

تغییرات دما و فشار می‌توانند بر دقت اندازه‌گیری تأثیر بگذارند.

محدودیت در اندازه‌گیری مواد نرم و جذب‌کننده صوت:

موادی که امواج صوتی را جذب می‌کنند یا ضریب انعکاس پایینی دارند، ممکن است به درستی توسط سنسورهای التراسونیک شناسایی نشوند.

محدودیت برد:

برد مؤثر سنسورهای التراسونیک معمولاً محدود است و برای فواصل بسیار بلند مناسب نیستند.

پروژه ی راه انداز التراسونیک 

برای انجام پروژه ی راه اندازی التراسونیک به چند قطعه نیاز داریم که عبارتند از:
⦁ سنسور التراسونیک
⦁ برد آردینو 
⦁ سیم های جامپر
اول از همه باید به وسیله ی سیم های جامپر سنسور التراسونیک را به برد آردوینو وصل کنیم. پایه های سنسور التراسونیک که از آن استفاده خواهیم کرد چهار پایه ی :
⦁ VCC (تامین ولتاژ سنسور)
⦁ GND (پایه منفی)
⦁ Trig (پایه فرستنده)
⦁ Echo (پایه گیرنده)
پایه ی VCC را به قسمت 5V برد آردوینو وصل میکنیم و پایه GND را به همین شکل به پایه GND وصل میکنیم پایه های Trig و Echo را میتوانیم از پایه 2 تا 13 وصل کنیم فقط توجه داشته باشید که حتما باید شماره پایه ها را حفظ باشیم چون در قسمت برنامه نویسی باید از آنها استفاده کنیم. ما در این پروژه پایه Echo را به پایه شماره 9  و پایه Trig را به پایه شماره 10 وصل میکنیم. مانند شکل زیر:

برنامه نویسی التراسونیک

برای برنامه نویسی الترا سونیک در برنامه Arduino IDE در مرحله اول پین مود های خود را مشخص می کنیم که در اینجا پایه Echo و پایه Trig و دو المان عددی دیگر هم برای محاسبه ی فاصله و تبدیل آن به سانتی متر هم تعریف میکنیم.

در مرحله ی بعد در قسمت ستاپ پین مود های خود را مشخص میکنیم که در اینجا پایه Echo ورودی و پایه Trig خروجی می باشد و از آنجایی که میخواهیم میزان فاصله را مشاهده کنیم از تابع Serial.begin(9600)  استفاده میکنیم.

در این مرحله باید یک بار پایه Trig را روشن و خاموش می کنیم تا به وسیله ی آن پالس صوتی ایجاد و ارسال کنیم.

در این مرحله با تابع pulseIn زمان برگشتی را دریافت کرده و در یک تابع ذخیره میکنیم

در این مرحله فاصله را باید به سانتی متر تبدیل کنیم. از آنجایی که این عدد محاسبه شده زمان رفت و برگشت پلاس صوتی می باشد در مرحله ی اول باید آن را نصف کنیم تا بتوانیم فاصله ی واقعی التراسونیک تا جسم را به دست بیاوریم از آنجایی که با توجه به عددی که تابع  pulseIn به ما برمیگرداند میکرو ثانیه هست برای تبدیل این زمان به سانتی متر با توجه به قانون محاسبه ی مسافت (سرعت * زمان) ، از آنجایی که پالس ارسالی ما از نوع صوت می باشد در نتیجه سرعت این پلاس برابر است با :

تبدیل سرعت صوت به سانتی متر: 

343*100= 34300 سانتی متر در ثانیه

تبدیل سرعت صوت به میکرو ثانیه: 

34300 / 1000000 = 0.0343 سانتی متر در میکروثانیه

در آخر هم از دستور Serial.print استفاده میکنیم و برنامه را در برد آردوینو آپلود می کنیم و بعد از اتمام آپلود مقدار به دست آمده را در قسمت Show Monitor مشاهده خواهیم کرد.

نتیجه‌گیری

سنسورهای التراسونیک ابزارهای حیاتی و چندمنظوره‌ای هستند که در طیف وسیعی از کاربردهای صنعتی، خودرویی، پزشکی و مصرفی استفاده می‌شوند. این سنسورها با استفاده از امواج صوتی با فرکانس بالا، قابلیت اندازه‌گیری دقیق فاصله، تشخیص اجسام و ارزیابی خصوصیات مواد را دارند. با وجود برخی محدودیت‌ها، مزایای فراوان این سنسورها آن‌ها را به یک انتخاب محبوب و مؤثر برای بسیاری از کاربردها تبدیل کرده است. با پیشرفت‌های مداوم در فناوری‌های مرتبط، انتظار می‌رود که کاربردهای سنسورهای التراسونیک در آینده نیز به طور چشمگیری گسترش یابد.