Misuratore di distanza e livello a ultrasuoni

Compatti, facilmente reperibili e a buon mercato, i sensori a ultrasuoni permettono oggi di realizzare un'ampia gamma di progetti per la misurazione, dai più semplici ai più sofisticati. Prendete un modulo a ultrasuoni, un display, un paio di pulsanti, un microcontrollore equipaggiato con un opportuno software, e avrete tutti gli ingredienti necessari per realizzare un circuito di misura completo e pronto per l'uso.

Introduzione

Vi occorre conoscere il livello di liquido presente in una tanica di benzina, oppure in una cisterna piena d'acqua, e non avete tempo o voglia di fare troppi calcoli? Avete sistemato nel vostro giardino un bidone per la raccolta dell'acqua piovana e volete conoscerne il livello in tempo reale? Oppure, infine, avete solo bisogno di misurare la distanza che intercorre tra due oggetti? Se vi riconoscete in uno dei casi elencati, siete arrivati nel posto giusto: le possibilità offerte dal misuratore di distanza e di livello descritto in questo articolo sono infatti illimitate!

Per sapere se un contenitore di forma cilindrica oppure cubica è pieno si può utilizzare la classica soluzione meccanica, composta da un galleggiante e da un potenziomentro, oppure in modo capacitivo utilizzando un sensore ad ultrasuoni o un dispositivo laser. Entrambe le soluzioni, sia quella meccanica che quella capacitiva, richiedono l'utilizzo di componenti ausiliari come galleggianti e sensori.

Se l'accuratezza della misura rappresenta una priorità, il laser è sicuramente la migliore soluzione, anche se questo metodo presenta qualche insidia. Ad esempio, nebbia e vapore acqueo possono causare riflessioni del segnale laser, ottenendo una falsa misura. Poichè questi aspetti difficilmente influenzano i sensori ultrasonici, ho optato per quest'ultima soluzione, molto efficace anche dal punto di vista economico. Un ulteriore vantaggio derivante dall'utilizzo di sensori ultrasonici è che non è richiesto alcun contatto fisico con il fluido sotto misura. Infine, è possibile utilizzare questo circuito anche per eseguire delle misure di distanza.

La frequenza dei 40 kHz, normalmente utilizzata dai trasduttori ultrasonici, corrisponde, alla temperatura ambiente di 20 °C, a una lunghezza d'onda pari a 8,5 mm. Le onde sonore appartenenti a questo spettro di frequenza non si disperdono in misura rilevante, e presentano un angolo di apertura di circa 15°. Queste caratteristiche sono perfette per i nostri scopi, dal momento che le pareti laterali del contenitore non avranno alcuna influenza sul segnale riflesso. Il sensore ad ultrasuoni utilizzato è già stato descritto in modo esaustivo su Elektor alcuni mesi fa, più precisamente in un progetto pubblicato nel 2014 [1]. Di conseguenza, la descrizione funzionale del progetto sarà breve e concisa.

Un impulso di trigger provoca la trasmissione di un treno di impulsi da parte del modulo a ultrasuoni. Questo segnale viene riflesso dall'oggetto sotto misura (ad esempio la superficie dell'acqua contenuta all'interno di un contenitore per il recupero dell'acqua piovana), e ritorna verso il modulo a ultrasuoni sotto forma di eco riflesso. Poichè le onde sonore percorrono due volte la distanza che separa il modulo dall'oggetto riflettente, possiamo scrivere la seguente equazione:

distanza = 0,5 x velocità del suono [m/s] x per periodo dell'eco [s]

Prima di addentrarci nell'analisi del circuito vero e proprio, riassumiamo brevemente le caratteristiche salienti di questo progetto:

  • misuratore di livello per liquidi;
  • funzione di watchdog per monitorare il livello di riempimento, con uscita relè e indicazione di allarme tramite led;
  • programmazione dei livelli minimo e massimo di allarme;
  • memorizzazione non volatile dei valori di calibrazione minimo e massimo per fino a dieci serbatoi o contenitori;
  • misuratore di distanza;
  • controllo intuitivo tramite menu e display LCD

Il circuito

Nell'immagine seguente è visibile lo schema del circuito. Possiamo facilmente individuare i tre componenti principali: il ben noto microcontrollore ATmega8, un display LCD [...]

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6 Commenti

  1. Maurizio Di Paolo Emilio Maurizio 24 novembre 2015
  2. Viviana ChanCiaruso 17 luglio 2016

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