V Международный конкурс научно-исследовательских и творческих работ учащихся
Старт в науке
Сонар. Ультразвуковое исследование пространства
Автор работы награжден дипломом победителя III степени
Полная версия работы доступна во вкладке "Файлы работы" в формате PDF
ВВЕДЕНИЕ
Развитие современной электроники и схемотехники позволяет получить в миниатюрных устройствах возможности, которые ранее были доступны для габаритных и дорогих устройств. Одним из таких миниатюрных приборов является ультразвуковой датчик HC-SR04, который позволяет использовать физические свойства ультразвука в компактных и автономных устройствах.
Основы электроники и цифровой схемотехники – дисциплина, которая изучает основы построения аппаратных средств аналоговых и цифровых устройств, в том числе электронных вычислительных машин (ЭВМ), а также аппаратуры передачи данных и связи. В рамках дисциплины рассматриваются принципы работы простейших радиоэлементов и элементная база аналоговых и цифровых устройств, основные функциональные узлы ЭВМ и аппаратуры передачи данных, логические элементы, триггеры, а также принципы организации и функционирования полупроводниковой памяти, принципы работы и организации микропроцессоров, микропроцессорных систем и устройств, входящих в состав этих систем.
Объектом исследования научной работы является физические свойства звуковых волн.
Предметом исследования является законы распространения ультразвуковых волн в пространстве.
Цель исследования - изучить и выявить возможности практического применении ультразвука в жизнедеятельности человека.
Задачи исследования:
Исследовать свойства звуковых волн
Определить и выявить области применения звуковых волн
Изучить ультразвуковой датчик HC-SR04
Разработать и описать работу устройства, демонстрирующего возможности HC-SR04
Предложить область применения принципов, заложенных в работу устройства, в практических примерах.
Для достижения поставленной цели, были использованы следующие методы научного исследования -эмпирические и теоретические. Из теоретических методов наибольшее влияние на работу оказали:
- наблюдение,
- описание,
- сравнение,
- измерение,
- эксперимент,
- моделирование.
Из теоретических методов:
- аксиоматический,
- абстрагирование,
- анализ,
- синтез,
- индукция,
- дедукция.
Сообщение данной информации идет на фоне рисунка А1.
- 1. СВОЙСТВА ЗВУКОВЫХ ВОЛН
Иногда, когда соблюдены определенные условия, вы можете услышать собственное эхо. Если вы крикните «Привет!», звук может отразиться от большого объекта, и вы услышите свой собственный голос. Это называется эхо. Эхо, в физике — если звуковые волны, вызванные нашим собственным голосом или другим каким-либо источником звука, при своем распространении встречают препятствие (стену, отвесную скалу, лес), то они отражаются и могут достигнуть снова уха наблюдателя иногда значительно позже, чем при непосредственном своем распространении.
Свойства звуковых волн делятся на звуковые явления: отражение звуковых волн, эхо; преломление; поглощение; дифракция; интерференция; резонанс.
Отражение звука - явление, возникающее при падении звуковой волны на границу раздела двух упругих сред и состоящее в образовании волн, распространяющихся от границы раздела в ту же среду, из которой пришла падающая волна.
Эхо — физическое явление, заключающееся в принятии наблюдателем отражённой от препятствий волны (электромагнитной, звуковой и др.)
Преломление (рефракция) — изменение направления распространения волн (лучей) электромагнитного излучения, возникающее на границе раздела двух прозрачных для этих волн сред или в толще среды с непрерывно изменяющимися свойствами, в частности – в которых скорость распространения неодинакова.
Поглощение звука - явление необратимого перехода энергии звуковой волны в др. виды энергии, в основном в теплоту.
Дифракция волн— явление, которое проявляет себя, как отклонение от законов геометрической оптики при распространении волн. Она представляет собой универсальное волновое явление и характеризуется одними и теми же законами при наблюдении волновых полей разной природы.
Интерференция волн — взаимное увеличение или уменьшение результирующей амплитуды двух или нескольких когерентных волн при их наложении друг на друга. Сопровождается чередованием максимумов (пучностей) и минимумов (узлов) интенсивности в пространстве. Результат интерференции (интерференционная картина) зависит от разности фаз накладывающихся волн.
Резонанс — явление резкого возрастания амплитуды вынужденных колебаний, которое наступает при совпадении частоты собственных колебаний с частотой колебаний вынуждающей силы.
Сонар – это электронное устройство, которое использует принцип эха для обнаружения и локализации объекта. Сонар определяет объект по эхо-сигналу, который отразился от объекта. Сонар использует принцип эха, посылая звуковые волны под воду или сквозь человеческое тело. Звуковые волны – это тип акустической энергии. Волна идет, достигает до препятствия, от него отражается, и наше устройство принимает эту отраженную волну и определяет расстояние до этого препятствия. Принцип отражения волн представлен на рисунке А2.
- 2. ПРИМЕНЕНИЕ ЗВУКОВЫХ ВОЛН
Ультразвуковые устройства применяется во многих сферах нашей жизни.
Например, эхолоты, все рыбаки мира пользуются этим устройством, чтобы находить рыб на дне озера, пруда, моря. Навигация построена на ультразвуке.
Подводная навигация, которая исследует морское дно, подлодкам позволяет ориентироваться под водой, определять торпеды, вражеские корабли.
В медицине применяется ультразвук. Всем известное ультразвуковое исследование, когда мы можем увидеть органы человека, не проводя никаких операций, и оценить какого они размера, в каком они состоянии. Ультразвук используется во всевозможных датчиках. Датчик уровня жидкости, который определяет, сколько жидкости в водоеме, или в каком-то резервуаре, и соответственно, подают сведения об этом на управляющее устройство.
Благодаря развитию микроэлектроники датчики расстояния получили широкое распространение ввиду своей миниатюрности и дешевизны. Особенно они востребованы в робототехнике, в автономных устройствах, потому что они имеют компактные размеры, потребляют мало электроэнергии и при этом с ними очень удобно работать.
Понятие датчика. В настоящее время датчиком принято называть элемент, который преобразует получаемую от среды информацию в электрический сигнал с целью дальнейшей передачи информации на какое-то другое устройство. Обычно датчик является конструктивно обособленной частью измерительной системы. Датчики применяются повсеместно: в автомобилях, системах отопления, водоснабжения, на производстве, в медицине, даже в заведениях общепита для измерения температуры с целью определения степени готовности блюда.
Классификация датчиков. Существует несколько типов классификации датчиков. Мы приведем наиболее основные. По типу измерения: Датчики давления; Датчики расхода; Датчики измерения уровня; Датчики измерения температуры; Датчики концентрации; Датчики радиоактивности; Датчики перемещения; Датчики углового положения; Датчики измерения механических величин; Датчики вибрации. Классификация по технологии изготовления: Датчики элементные; Датчики интегральные. Классификация по принципу действия: Сюда входят: Оптические датчики, которые используют электромагнитное излучение и реагируют на водяной пар, дым и различные виды аэрозолей. Относятся к бесконтактным датчикам. В основе принципа их работы лежит улавливание чувствительным сенсором воздействия какого-либо раздражителя, например, водяного пара. Данные датчики широко применяются в автоматизированных системах управления. Индуктивные датчики. Относятся к бесконтактным датчикам, предназначены для осуществления вычисления положения объекта. Индуктивные датчики отлично улавливают колебания электромагнитного поля. В основе конструкции лежит генератор, который и создает электромагнитное поле. В результате воздействия на металлический объект, порождает амплитуды колебаний, на которые и реагирует датчик. Такие датчики широко используются в металлоискателях, а также в электронных замках. Емкостные датчики. Именно такие датчики используют в автомобилях в качестве датчиков дождя, сенсорных кнопках бытовой техники, датчиках измерения жидкости. Принцип их действия состоит в том, чтобы реагировать на воздействие жидкости. Изолятор таких датчиков имеет диэлектрическую проницаемость. Жидкость, воздействуя на изолятор, вызывает появление электрического сигнала, который преобразуется в информацию. Такие датчики получили широкое распространение в бытовой технике. Эти датчики представляют собой устройство для измерения силы, давления, крутящего момента, ускорения или перемещения. Механизм их действия основан на принципе силы упругости. Такие датчики получили широкое распространение в различных типах весов. Они преобразуют величину деформации в электрический сигнал, другими словами, датчик улавливает воздействие какой-либо силы на него, после чего упругий элемент деформируется и происходит изменение сопротивления тензорезистора, который встроен в такой датчик. Далее происходит преобразование информации в электрический сигнал и передача ее на другое устройство, например, дисплей. Пьезоэлектрические датчики. Такие датчики широко используются в микрофонах и сонарах. Их принцип действия основан на поляризации диэлектрика под воздействием механических напряжений. Другими словами, пьезоэлектрические датчики улавливают изменение электрического поля, на которое было оказано механическое воздействие. Например, в микрофоне это воздействие голосом. Результатом деформации станет преобразование полученного сигнала в электрический, и передача его на другое устройство. Данные датчики получили свое рождение благодаря Жаку и Пьеру Кюри в 1880 году. Магнитно-электрические датчики. Это датчики, принцип действия которых основан на так называемом эффекте Холла. Данные датчики используются в смартфонах в качестве основы работы электронного компаса, в электродвигателях, в измерителях силы тока. Нано-датчики. Находятся в стадии разработки. Наиболее востребованной сферой для них должна стать медицина и робототехника. Предполагается, что данные датчики станут новым классом и найдут в будущем повсеместное использование. Их принцип работы будет схож со многими другими датчиками (отсюда названия нано-пьезодатчики, нано-тензодатчики и т.д.), но размеры их будут во много раз меньше.
Применение ультразвуковых волн изображено на рисункеА3.
- 3. УЛЬТРАЗВУКОВОЙ ДАТЧИК HC-SR04
Давайте подробнее рассмотрим датчик расстояния. Модель HC-SR04. Это самый распространенный ультразвуковой датчик, который применяется в любительской робототехнике. Он позволяет определять расстояния до предметов. На рисунке изображен этот датчик, мы видим, что из одного ультразвукового излучателя сигнал подается в окружающую среду, в которой он отражается, и попадает на второй элемент дальномера. То есть один постоянно передает, а другой принимает. Итак, чтобы просканировать пространство мы должны подать команду на этот прибор, а затем считать данные полученные этим прибором.
Справа на слайде указана угол захвата территории датчиком. Мы видим, что угол достаточно узкий, составляет всего 15 градусов. Частота ультразвука, на котором работает данный датчик, составляет 40 тыс. герц. (40 килогерц). Чтобы компенсировать узкий охват датчика и максимально использовать его возможности, необходимо постоянно его поворачивать влево и вправо, для более полного исследования пространства.
Принцип работы ультразвукового дальномера изображено на рисунке А 4.
- 4. УСТРОЙСТВО НА ОСНОВЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО
ДАТЧИКА HC-SR04
На основе этого датчика, я собрал устройство, которое назвал робосонар. На слайде в центре представлена фотография моего устройства. Принцип, который заложен в этом устройстве, можно использовать:
– в системе умного дома. Умный дом — жилой дом современного типа, организованный для проживания людей при помощи автоматизации и высокотехнологичных устройств. Под «умным» домом следует понимать систему, которая обеспечивает безопасность и ресурсосбережение (в том числе и комфорт) для всех пользователей;
– в системах парктроника (помощь водителю при парковке автомобиля)
– в устройствах, которые обеспечивают энергосбережение,
– в устройствах, которые обеспечивают охрану объектов.
Область применения устройств на основе РобоСонар изображена на рисунке А5.
Нами был разработан и собран робосонар, который определяет расстояние до какого-то препятствия, он постоянно производит сканирование пространства, и передает эти данные на компьютер. Если экран погас или нет связи с компьютером, данные дублируются на светодиодах. Зеленый светодиод горит, когда препятствий никаких нет, и красный, если вдруг появилось какое-то препятствие. Допустим, у нас умный дом. Вы пришли домой, ультразвуковой прибор определил, что вы пришли, он может дать команду, чтобы что-то включилось или выключилось (чайник, кофеварка, свет в прихожей…)
Рассмотрим подробнее, из чего состоит наш автономный робот робосонар:
Ультразвуковой датчик, который посылает ультразвук и измеряет расстояние до препятствия;
Два светодиода, которые сигнализируют о препятствиях или их отсутствии;
Сервопривод, поворачивающий ультразвуковой датчик;
Плата ардуино, управляет всеми элементами робота;
Инфракрасный приемник, который запускает наше устройство при помощи пульта дистанционного управления.
Основные элементы РобоСонара показаны на рисунке А 6
У нас не было специального пульта для роботов, поэтому мы использовали обычный телевизионный пульт. В процессе изучения сигнала пульта, нами были определены кнопки, при помощи которых удалось наиболее эффективно управлять нашим устройством (мы нажимали на кнопки, и смотрели какой сигнал она, и как это кодируется в программе). Мы запрограммировали нашего робота, чтобы он включался при нажатии «1».
Давайте рассмотри подробнее, как это все работает.
Когда мы нажимаем кнопочку «1» на пульте дистанционного управления, сигнал попадает на инфракрасный приемник. Инфракрасный приемник подает на плату ардуино код, который прислал пульт.
Когда ардуино получает наш код от пульта и определяет, что этот код действительно соответствует цифре «1». Она (плата) подает сигнал на сервомотор, заставляя его двигаться и на ультразвуковой сенсор, чтобы он начал считывать пространство. Всё это работает в бесконечном цикле. От одного крайнего положения до другого. Если нам надо приостановить наш прибор, то можно зажать любую кнопку на пульте на длительное время, тогда пульт пошлет специальный пустой сигнал, по которому ардуино останавливает сервопривод и ультразвуковой сканер. Для продолжения работы робота, необходимо нажать на цифру «1»
Принцип работы устройства показан на рисунке А7.
Плата ардуино подключена к порту USB компьютера, по которому данные с датчика поступают на него.
Для компьютера мы написали другую программу, которая рисует наш радар, демонстрирующий луч ультразвука. Он же показывает расстояние до объектов. На этом нетбуке экран очень маленький, поэтому не вся информация поместилась на нём – нижняя информационная строка – на ней отображается расстояние до объекта, а также угол поворота сервопривода
Мы использовали английский язык, потому что среда разработки программы, к сожалению, не поддерживает кириллицу. Язык, на котором написана программа, называется процессинг.
Показания РобоСонара - на рисунке А8
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
Итак, ультразвуковое устройство может быть применено в системе умного дома, в системах парктроника (помощь водителю при парковке автомобиля), в устройствах, которые обеспечивают энергосбережение и охрану объектов. Можно констатировать тот факт, что цель работы изучить и выявить возможности практического применении ультразвука в жизнедеятельности человека была достигнута. Для этого были решены следующие задачи: Исследованы свойства звуковых волн, определены и выявлены их области применения, изучен ультразвуковой датчик HC-SR04, разработана и описана работа устройства, демонстрирующего возможности HC-SR04, определена область применения принципов, заложенных в работу устройства, в практических примерах.
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ ЛИТЕРАТУРЫ
- Бейктал Д. Конструируем роботов на Arduino. Первые шаги. - СПб.: Лаб. знаний, 2016. - 323 с.
- Блум Д. Изучаем ARDUINO инструменты и методы технического волшебства. - СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 336 с.
- Монк С. Программируем Arduino. Профессиональная работа со скетчами. - СПб.: Питер, 2017. - 272 с.
- Петин В.А. Arduino и Raspberry Pi в проектах Internet of Things + исходные коды. - СПб.: БХВ-Петербург, 2016. - 320 с.
- Петин В.А. Проекты с использованием контроллера Arduino. - СПб.: БХВ-Петербург, 2014. - 400 с.3.
- Ревич Ю.В. Занимательная электроника. - СПб.: БХВ-Петербург, 2015. - 576 с.
- Теро Карвинен, Киммо Карвинен, Вилле Валтокари Делаем сенсоры проекты сенсорных устройств на базе arduino и raspberry pi. - М.: ООО "И.Д. Вильяме", 2015. - 432 с.