SONAR PARCHEGGIATORE

 

 

Un radar ultrasonico semplice e senza microprocessori per parcheggiare l’auto in retromarcia

 

 

 

Prendendo spunto da un circuito di Alberto Ricci Bitti (http://www.riccibitti.com) ho realizzato e poi modificato alcune parti di questo radar ultrasonico utile a vari scopi ma la cui idea è nata originariamente come dispositivo sensoriale per la retromarcia dell’automobile. Dal primo momento ho trovato questo circuito tanto semplice quanto geniale.

Oltre alle vetture station-wagon anche alcune berline moderne hanno qualche fastidio di manovra essendo un po’ troppo alte nel retro e con scarsa visibilità nelle manovre di retromarcia. Personalmente non ho mai avuto problemi nelle manovre di retromarcia finché qualche anno fa decisi di acquistare una berlina media che mi ha causato qualche problema nel parcheggiare (in qualche occasione ha gioito il mio carrozziere), avendo il retro-treno troppo alto, il parabrezza posteriore troppo piccolo ed il paraurti di plastica in tinta. A ciò va aggiunta la mia cattiva abitudine di girarmi dietro, invece di utilizzare adeguatamente gli specchietti retrovisori. Si pensi, inoltre, a chi guida un furgoncino o peggio un camion, che pur essendo abile non avrà mai coscienza di un ostacolo basso e troppo vicino al retro-treno del proprio veicolo come un paletto o un muretto.  Fortunatamente oggi si è provveduto a dotare qualche auto di dispositivi sensoriali simili a questo, sicuramente più complessi (dotati di un microcontroller e di  più coppie di sensori ultrasonici) e per questo anche più affidabili. Mi resi conto dell’utilità di questi dispositivi quando un mio amico, intento a compiere una manovra di retromarcia in una piccola strada privata, rischiava di non accorgersi, se non fosse stato per le mie urla,  della presenza di un ragazzino che in quel momento, incoscientemente, si era seduto sull’asfalto della strada per gioco e, data la breve distanza dall’auto, era perfettamente invisibile al guidatore. Tuttavia il circuito trattato in queste pagine non garantisce la manovra di retromarcia con tranquillità e ad “occhi chiusi” (laddove la prudenza non è mai troppa), ma è adatto solo ed esclusivamente con ostacoli “netti”, cioè intercetta perfettamente la presenza di un muro ma non di un ostacolo piccolo o poco spesso o di una persona. Ciò è dovuto al fatto che si è provveduto a studiare questo dispositivo per una sola coppia di sensori e questo ne limita sia il raggio d’azione circostante sia la “selettività” nell’intercettare ostacoli piccoli. Inoltre, non è adatto ad intercettare la presenza di una persona (se non a brevissima distanza) poiché una persona non costituisce un ostacolo netto e spesso i suoi vestiti assorbono in buona parte gli ultrasuoni invece di rifletterli. Per tale motivo, questo sonar potrebbe giovare solo in alcune manovre cittadine di parcheggio (ad esempio per non urtare altre vetture) e, specialmente, nel garage quando si accosta la propria auto al muro.

 

 

 

IL CIRCUITO

 

Quando realizzai il sonar di Ricci Bitti, avendolo scoperto sulla sua pagina internet (http://www.riccibitti.com/sonar.htm), con mio dispiacere, non funzionava. Non ho mai capito quale errore commisi nella realizzazione del suo progetto ma, incaponitomi, decisi di studiare il perché e di ridisegnare interamente tutto lo stadio ricevente (RX). Nello specifico, di eliminare tutti i transistor e di realizzarlo interamente utilizzando amplificatori operazionali. Dopo varie esperimentazioni oscilloscopiche i risultati sono man mano migliorati ed ora il circuito funziona abbastanza bene. Il suo principio di funzionamento è basato su quello universale del radar. Ogni radar possiede una sezione trasmittente (TX) ed una ricevente (RX). Il TX irradia in aria dei “bursts”, cioè dei treni di impulsi, con cadenza prestabilita ed il ricevitore, posto a fianco al trasmettitore, deve riceverli nell’ipotesi ci fosse un ostacolo che li riflette. I bursts riflessi, chiamati anche “eco”, sono ricevuti dalla sezione RX del radar con un ritardo temporale: l’inevitabile ritardo dovuto alla limitata velocità di propagazione delle onde nell’aria. Nei radar i bursts sono onde elettromagnetiche ad altissima potenza (ordine di kilowatt) ed alta frequenza (ordine dei gigahertz) trasmessi da particolari tubi chiamati Magnetron, Klystron (quelli usati anche nei forni a microonde) o T.W.T. (tubi ad onda progressiva). Invece, nel circuito qui descritto, il principio è simile ma con la differenza che non si usano onde elettromagnetiche, bensì onde sonore che si propagano in aria alla velocità del suono. Piuttosto che radar è più corretto, perciò, utilizzare il termine “sonar”. 

Per curiosità la velocità del suono nell’aria è variabile alla temperatura ed è calcolabile approssimativamente secondo l’equazione:

 

 

in cui T è la temperatura dell’aria in °C.

Per avere un’idea, la velocità del suono ad una temperatura di 20°C è di circa 344 m/sec.

La particolarità è che le onde sonore emanate dal trasduttore trasmittente non sono udibili all’orecchio umano poiché si tratta d’ultrasuoni, cioè onde sonore con frequenza superiore a 20KHz. La coppia di capsule ultrasoniche (irradiante TX e ricevente RX) utilizzate è funzionante a frequenza ultrasonica di 40KHz. Esistono, tuttavia, moltissimi animali, dall’udito più fine del nostro, che percepiranno perfettamente il suono a 40KHz prodotto dal trasmettitore come un suono fastidioso di disturbo. Volendo, è possibile utilizzare la sola sezione TX di questo circuito (le tre porte logiche 1/6, 2/6 e 3/6 di Ic03 con C11, R11, Tr03) come scaccia-animali o insetti. La sezione TX di questo circuito (schema elettrico) è realizzata con tre porte logiche dell’integrato CMOS 40106 in cui la porta 3/6 di Ic03, unitamente al condensatore C11 da 330pF, al trimmer Tr3 da 47K e alla resistenza R11 da 68K, realizza l’oscillatore a 40KHz. Le altre due porte (2/6 e 1/6) fungono da buffer di potenziamento del segnale. L’integrato Ic03 40106 contiene ben sei porte logiche di tipo NOT–Smith Trigger ad alto potenziale di squadramento delle onde. La capsula ultrasonica TX è posta tra l’ingresso e l’uscita della porta 1/6 del 40106 ed avrà quindi due onde rettangolari alternate con frequenza di 40KHz, perfettamente simili ma sfasate di 180° ad ogni suo terminale. L’oscillatore a 40KHz della sezione TX non genera un’oscillazione continua ma, per poter generare i bursts, oscilla in modo ciclico, cioè ogni qualvolta viene eccitato dal contatore decadico CMOS 4017 (Ic04), tramite la sua porta di uscita Q0 ed il diodo D4. La cadenza con cui viene generato il burst è quindi dipesa dalla frequenza del clock del contatore 4017 e per generare il clock si utilizza una sola porta logica di Ic03 (la 4/6) insieme a R10, C10 e al trimmer Tr2. La regolazione del trimmer Tr2 varierà la frequenza del clock da un minimo di circa 400Hz ad un massimo di circa 3KHz. Questa regolazione di clock sarà necessaria, in fase di messa a punto, a stabilire il “range” di campo d’azione che vorremo dare al nostro radar ultrasonico per ogni LED acceso. La figura 1 mostra i “timing” e spiega graficamente il funzionamento della sezione TX. Nella foto 1 sono visibili i bursts a 40 KHz generati e pronti per essere irradiati dalla capsula ultrasonica TX  ed analizzati all’oscilloscopio ponendo la sonda tra un pin della capsula TX  e la massa. Nella foto 2 c’è un singolo burst visto con maggiore dovizia di particolari grazie ad una differente impostazione della base dei tempi dell’oscilloscopio. Si può notare in questo caso che l’oscillazione prodotta dall’oscillatore Ic03 3/6, R11, Tr03, C11 è di tipo auto-oscillante a smorzamento. Infatti, il contatore Ic04, tramite la sua uscita Q0, fornisce un breve impulso positivo all’oscillatore di bursts, il quale eccitato dallo spike negativo che si genera sull’anodo di D4, inizia ad oscillare autonomamente finché le sue auto-oscillazioni, alimentate dalla retroazione ingresso-uscita,  non si smorzano ad una soglia tale per cui l’oscillatore smette di oscillare. Lo smorzamento è dipeso dal fatto che subito dopo lo spike, Q0 rimane a stato logico 0, finché non è terminato il ciclo di conteggio, scaricando poco alla volta a massa, tramite D4, le oscillazioni prodotte dall’oscillatore.

I bursts così irradiati dalla capsula vagano nello spazio antistante sotto forma di onda ultrasonica. Quest’onda se incontra un ostacolo, secondo le normali leggi dell’acustica, viene riflessa come verrebbe riflesso qualsiasi suono, generando la eco. Allo stesso modo l’eco ultrasonico di ritorno viene ricevuto dalla capsula RX e trasformato in segnale elettrico ( foto 3).  In questa foto i picchi più alti sono i burst a 40 KHz prelevati sulla capsula RX e riflessi dall’ostacolo mentre nel mezzo i picchi più piccoli costituiscono le riflessioni secondarie che sono dannose al funzionamento del circuito e vanno eliminate il più possibile. L’eco della foto 3 è inviato al primo stadio dell’amplificatore operazionale IC02 che lo amplifica di circa 70 volte in tensione e poi al secondo stadio che lo amplifica di altre 10 volte. Il segnale amplificato complessivamente di circa 700 volte (più di 55 dB in tensione) viene poi privato delle semionde negative ( foto 4) tramite i diodi schottky D1 e D2 e rivelato dalla rete RC composta da R6 e C8. La rete RC di rivelamento non fa altro che escludere la componente a 40KHz del burst di eco ricevuto o meglio di trasformare il burst ricevuto in un segnale che segue l’inviluppo di ampiezza che lo contiene. Il risultato è quello della foto 5.

Il segnale di eco rivelato dalla rete RC viene poi inviata al terzo operazionale di IC02 che realizza un comparatore di tensione. Grazie a quest’ultimo possiamo squadrare l’onda ed eliminare drasticamente la presenza dei residui delle riflessioni secondarie disponendo di una pulita onda rettangolare ( foto 6). Il quarto operazionale presente nell’integrato TL084 non ha alcuna funzione particolare ed è utilizzato come buffer nella solita configurazione di voltage-follower con guadagno unitario. In foto 7 mi sono divertito a comparare oscilloscopicamente l’eco “grezza” così come viene prelevata alla capsula RX (lo stesso di foto 3) con la stessa eco dopo che ha subito la serie di processi di amplificazione, tosatura delle onde negative, rivelazione e squadratura.

Il segnale di foto 6 è utilizzato per pilotare un multivibratore monostabile realizzato con una porta NOT del 40106 (la 6/6) unitamente alla coppia R8 e C9 e al diodo D3.  Il monostabile ha la funzione specifica di prolungare notevolmente il tempo di durata dell’impulso di foto 6 come illustrato in figura 2. Il prolungamento dell’impulso, attuato dal monostabile, rallenta la veloce scansione del contatore IC04, disabilitando il conteggio per tutta la sua durata.

Il risultato del funzionamento è schematizzato nei seguenti due punti.

 

 

Più è lontano l’ostacolo, più tempo impiegherà l’eco ad arrivare alla capsula RX e quindi più tardi verrà disabilitato il conteggio, cosicché uno degli ultimi LED (tra quelli verdi) si vedrà notevolmente acceso rispetto agli altri. Se, invece, l’ostacolo è molto vicino, l’eco arriverà subito dopo la generazione del burst ed il conteggio presto disabilitato per il tempo voluto dal monostabile ed uno dei primi LED (tra quelli rossi) rimarrà notevolmente acceso rispetto agli altri. Ad esempio se l’ostacolo è molto vicino, il burst generato tramite Q0, ricevuto dalla sezione RX, blocca subito il conteggio di IC04 al punto che questi già mentre attiva Q1 viene interdetto e, in conclusione, vedremo il primo LED rosso di Q1 acceso.

Alle uscite Q1, Q2 e Q3, relativi ai diodi LED rossi e che indicano la presenza di un ostacolo in contingente prossimità, ho ritenuto opportuno collegare un dispositivo acustico in modo che il guidatore, che è intento nella manovra di retromarcia ed è impossibilitato a guardare la barra dei LED, può essere comunque avvisato. Tre sono i livelli di intensità acustica del cicalino: il livello più alto c’è quando l’ostacolo è vicinissimo e corrisponde anche all’accensione del primo LED rosso, mentre il medio (secondo LED rosso acceso) ed il basso (terzo LED rosso acceso) indicano un ostacolo in prossimità ma non vicinissimo.

L’ideale per questo circuito è una taratura di circa 10 centimetri per ogni LED, cosicché l’ultimo LED (quello su Q9) indica una distanza di 90 cm. Oltre i 90 cm, la sensibilità del circuito deve essere tarata affinché non “veda” più gli ostacoli.

Il mio amico Farid Morteza Agaie ha inserito sulle uscite del contatore a cui sono collegati i LED dei condensatori elettrolitici da 100uF: il terminale positivo sull'anodo del LED e il negativo a massa. I condensatori elettrolitici attenuano il veloce fenomeno di lampeggio che sebbene impercettibile visibile quando c' poca luce.

 In foto 8 ho analizzato con l’oscilloscopio il funzionamento generale del circuito: su una traccia sono visibili i burts generati dalla sezione TX e messi a confronto con i segnali d’eco prelevati al pin 14 di Ic02. Si nota come i segnali di bursts e i suoi echi sono temporalmente distanti: questa distanza rappresenta il tempo impiegato dall’onda sonora di bursts dal momento della trasmissione fino al suo ritorno al circuito, naturalmente dopo la riflessione.

 

REALIZZAZIONE E TARATURA

 

La realizzazione di questo circuito non è molto complessa anche se non tra le più semplici.

Le capsule ultrasoniche da utilizzare sono normali trasduttori per ultrasuoni a 40KHz da acquistare in coppia e vanno montati affiancati ad una distanza di circa 4/5 cm in modo perfettamente parallelo.

Il primo prototipo fu realizzato su una board da laboratorio. Poi Farid cre un ottimo circuito PCB: (Foto 9 ) e tramite sbrogliatore Figura2/B il circuito stampato replicabile.

Il montaggio deve essere necessariamente realizzato su due basette che possono benissimo essere delle millefiori. Sulla prima basetta si montano le due capsule ultrasoniche, tutto il circuito della sezione RX (in modo che sia immediatamente collegato alla capsula ricevente) e la parte riguardante l’alimentazione, cioè IC01, C1 e C2. Questa prima basetta deve essere quanto più piccola possibile (si provi a sfruttare il montaggio verticale per resistenze e diodi e ad utilizzare un trimmer verticale) poiché deve poi essere sistemata sul retro dell’automobile con le capsule esposte all’esterno e, possibilmente, sporgenti sulla parte più sporgente del retro dell’auto. Tutto il restante circuito è montato sulla seconda basetta che deve poi essere collocata in prossimità (e chiaramente anche in vista) del guidatore. Dalla seconda basetta partono i collegamenti in filo con la prima: cinque fili tra cui quello che unisce il pin 14 di IC02 al pin 13 di IC03, i due fili che partono dai pin 1 e 2 di IC03 per essere collegati alla capsula TX ed infine i due fili di alimentazione con il positivo da collegare alla lampada di retromarcia. In questo modo il circuito è sempre disattivo ed entra in funzione solo quando è innestata la retromarcia col cambio (vedi figura 3).

L’ideale per tarare questo circuito è l’utilizzo di un oscilloscopio; tuttavia per chi non avesse questo prezioso strumento non resta altro che l’approccio più empirico con un tester.

Il primo passo che consiglio è quello di collocare tutto il circuito su una sedia o un tavolino mobile ad una distanza di 60 cm da un muro e di alimentare con una tensione di 12,5 Volt. Col tester, applicato tra il pin 10 di Ic02 e la massa, si agisce su Tr03 per ottenere la massima lettura in tensione in corrente continua. Ciò dovrebbe assicurare una taratura dell’oscillatore di burts quanto più prossima ai 40KHz. Di seguito si ruota totalmente in senso antiorario Tr01 e si regola Tr02 per far accendere il sesto LED, cioè quello collegato al pin 5 di Ic04 (uscita Q6). Si allontana poi il circuito a 90 cm dal muro in modo da far accendere l’ultimo LED. Allontanandosi di qualche centimetro ancora, si agisce su Tr01 per “desensibilizzare” il circuito in modo che non resti più acceso l’ultimo LED ma che tutti i diodi LED siano accesi. E’ necessario “desensibilizzare” il sonar oltre una soglia prefissata di distanza altrimenti, se il circuito è troppo sensibile, allontanandosi oltre questa soglia, si rischia che inizino ad accendersi di nuovo i primi LED che invece servono ad indicare solo ostacoli vicini. E’ comunque possibile scegliersi i parametri di funzionamento del sonar a proprio piacimento, poiché agendo su Tr02 si può stabilire quale distanza dall’ostacolo deve essere associata a ciascun LED (non necessariamente 10 cm per ogni LED ma anche qualche centimetro o qualche decina di centimetri). Chiaramente dovrà poi essere tarato nuovamente Tr01 e cercare il giusto compromesso in accordo con la sensibilità massima della sezione ricevente. Eventualmente vogliate aumentare la sensibilità, provate ad incrementare il valore di R6 o di R4.

Per finire, il cicalino deve essere un buzzer di quelli in corrente continua a 6 Volt a meno che non vi riprogettiate tutta la sezione acustica. Se si dovessero trovare difficoltà nella reperibilità della coppia di trasduttori ultrasonici a 40KHz, si provi, come ho fatto io, ad acquistarli presso Radio Kalika (http://www.rk-elettronica.it) a  Trieste.

Se i diodi schottky sono anch’essi di difficile reperibilità si possono scegliere due normali diodi di tipo 1N4148 (ma meglio se al germanio).

E’ possibile installare qualche altro sensore aggiungendo un’altra capsula ultrasonica ricevente in parallelo alla prima. Tuttavia questa soluzione è poco affidabile perché se dovessero verificarsi due intercettazioni differenti su ciascuna capsula per due diversi ostacoli posti a distanze diverse, ne deriverebbe un’instabilità di visualizzazione sulla barra di LED. In questo caso bisognerebbe discriminare l’eco più debole tra i due ricevuti e questo comporterebbe una regolazione per una maggiore selettività del sonar tramite un innalzamento del valore di Tr01 ma, per contro, si avrà anche una complementare perdita di sensibilità sulle distanze più lunghe. La soluzione che ritengo più affidabile, invece, è quella di duplicare i circuiti: in tal modo, avendo due sonar indipendenti e separati e quindi due barre LED diverse, il guidatore non solo godrà dell’affidabilità di ogni singolo circuito ma potrà anche discernere in quale direzione è posto l’ostacolo più vicino.

 

 

http://www.cirocarbone.it

 

 

 

 

 

 

 

Ricerca personalizzata