Unterrichts- und Lernmaterial für Mikrocontroller
Unterrichts- und Lernmaterial fürMikrocontroller

1 - Der PING))) Ultraschallsensor

Mit dem PING))) Sensor und der BASIC Stamp lassen sich Entfernungen in einem Bereich von 3cm bis zu 3,3 Metern bestimmen. Er verfügt über eine erstaunlich hohe Genauigkeit, kann Entfernungen von Objekten schnell und einfach bestimmen und hat in Roboterprojekten einen festen Platz.

Abb. 1 PING))) Ultraschallsensor

Wie arbeitet der PING))) Sensor?

Sobald der PING))) Sensor ein LOW-HIGH-LOW Signal von der BASIC Stamp empfängt, startet der Messvorgang. Der PING))) Sensor wartet einen Moment, bis im BASIC Programm der PULSIN Befehl aufgerufen wurde. Anschließend sendet er ein 40 kHz Signal aus und informiert gleichzeitig die BASIC Stamp mit einem HIGH-Signal darüber, dass dies erfolgt ist. Sobald der PING)))-Sensor das Echo seines ausgesandten Signals in seinem eingebauten Mikrofon empfängt,  setzt er das HIGH Signal auf LOW zurück.

Abb. 2 Start- und Messimpuls bei einem PING))) Sensor - Courtesy of Parallax Inc.

Der BASIC Stamp Befehl PULSIN speichert in einer frei zu benennenden Variablen die Zeit, während der der Messimpuls HIGH-Pegel hatte. Sie entspricht der Laufzeit des Ping-Signals vom Sensor zum Objekt und zurück. Mit Hilfe dieses Wertes und der Schallausbreitungsgeschwindigkeit in Luft lässt sich über das PBASIC Programm der Abstand zwischen Objekt und Sensor auf Zentimeter genau bestimmen.

Der Hörbereich eines Menschen liegt zwischen 20Hz und 20kHz. Ultraschall beginnt ab 20kHz aufwärts. Frequenzen unterhalb von 20Hz bezeichnen wir als Infraschall.

Der PING))) Sensor arbeitet mit 40kHz im Ultraschallbereich, der für den Menschen nicht wahrnehmbar ist.

Übung 1  - Die Laufzeit eines Echos messen

In dieser Übung testen wir den PING))) Sensor und überprüfen, ob die gemessenen Laufzeiten mit dem Abstand zu einem Objekt in einem realistischen Zusammenhang stehen.

Material

1x  Board of Education

1x  Ping))) Ultraschallsensor

3x  Steckdraht

Der Ping))) Sensor ist gegen Fehlbeschaltung elektronisch abgesichert, ein 220 Ohm Widerstand zwischen P15 und dem SIG Anschluss ist deshalb nicht notwendig.

Schaltungsaufbau und Schaltskizze

Baue die Schaltung nach Abb. 3 auf.

Abbildung 3 - Courtesy of Parallax Inc.

2 - Den Ping))) Sensor testen

Der Ping))) Sensor benötigt einen Startimpuls der BASIC Stamp bevor er mit der Messung beginnt. Dazu muss an P15 ein mindestens 10µs langes HIGH Signal anliegen (PULSOUT 15, 5).  Der PULSIN Befehl, über den die Laufzeit des Echosignals des Ping))) Sensors gespeichert wird (PULSIN 15, 1, zeit), muss direkt dem PULSOUT Befehl folgen. Die im folgenden Beispiel aufgenommenen Zeiten, die in der Variablen zeit abgelegt werden, beschreiben die Laufzeit des Signals vom Sensor zum Objekt und wieder zurück zum Mikrofon des Ping))).

Programmbeispiel  -  PingTest.bs2

Mit diesem Programm werden Abstände zu verschiedenen Objekten bestimmt. Um Nebeneinflüsse zu vermeiden, sollte der Ping))) Sensor bei kurzen Abstandsmessungen ca. 8-10 cm oberhalb der Arbeitsoberfläche stehen; bei großen Entfernungen muss der Standort sehr bewusst gewählt werden, um nicht durch Reflexionen vom Erdboden oder anderen im Abstrahlkegel des Sensor befindlichen Objekten unbrauchbare Ergebnisse zu bekommen. Hier ist Ausprobieren angesagt!

  Aufgabe
  • Stelle das Board of Education mit dem Ping))) Sensor etwas 10cm erhöht auf dem Arbeitstisch auf.
  • Stelle in einem Abstand von ca. 15cm einen Gegenstand/ein Objekt vor den Sensor.
  • Gib das Programm PingTest.bs2 ein und speichere es ab.
  • Starte das Programm.
  • Das Debug Terminal sollte einen Zahlenwert zwischen 400 und 500 anzeigen.
  • Vergrößere den Abstand auf ca. 30cm und überprüfe, ob sich der angegebene Zahlenwert im Display nahezu verdoppelt.
  • Miss mit den Ping))) Sensor die Abstände zu verschiedenen nahen und weiter entfernt stehenden Objekten.

Das Programm PingTest.bs2

Programm PingTest.bs2

3 - Die Grenzen des Ping))) Sensors austesten

Gegenüber herkömmlichen einfachen Messgeräten zur Bestimmung von Abständen und Entfernungen sind Ulraschallsensoren, was Genauigkeit und einfache Handhabbarkeit anbelangt, diesen überlegen. Das heißt aber nicht, dass man mit einem Ping))) alles messen kann. Abb. 4 zeigt drei Beispiele, für die der Sensor nicht geeignet ist:

  • Abstände und Entfernungen größer als 3 Meter.
  • flache Einstrahlwinkel
  • zu kleine Objekte.
Abbildung 4 - Dafür ist der Ping))) Sensor nicht geeignet - Courtesy of Parallax Inc.

Es kommt aber nicht nur auf die Größe eines Objektes, sondern auch auf seine Oberflächenbeschaffenheit an. Eine weiche, samtene oder unregelmäßige weiche Oberfläche verhindert die Reflexion von Schall, so dass der Sensor möglicherweise keine oder falsche Resultate liefert. Der Schall wurde dann vom Oberflächenmaterial (teilweise) absorbiert statt reflektiert.

Dies leitet über zu ein paar Untersuchungen, die die Einsatzfähigkeit eines Ultraschallsensors in der Zukunft klar umreißen.

Aufgaben

Richte den Ping))) Sensor auf verschiedene Objekte in unterschiedlichen Entfernungen.

  • Bis zu welcher Entfernung erkennt ein Ping))) ein Objekt? Notiere deinen gemessenen Wert.
  • Wie groß ist die kürzeste Entfernung, die ein Ping))) Sensor noch auflösen kann? Notiere auch hier deine gemessenen Werte. Mache jeweils mehrere Messungen beim größten und kleinsten Abstand.
  • Richte den Ping))) Sensor jetzt direkt gegen eine Wand. Der Abstand beträgt 1m. Behalte den Abstand von einem Meter zur Wand bei und verändere deine Position, so wie in Abb. 5 gezeigt. Versuche auch hier wieder die Entfernung mit dem Sensor zu messen. Ab welchem Winkel erkennt der Ping))) Sensor das Hindernis nicht mehr?
Abbildung 5 - Bis zu welchem Winkel wird ein Objekt erkannt? - Courtesy of Parallax Inc.
Aufgaben
  • Hänge von der Decke verschieden große Objekte.mit gut reflektierender Oberfläche. Der Abstand Sensor – Objekt beträgt 1,5m. Bis zu welcher Größe erkennt der Sensor ein Objekt? Notiere den Wert. Wird die Messung vom Umriss des Körpers oder dem Winkel, den er zum Sensor einnimmt, beeinflusst?
  • Untersuche Objekte gleicher Größe mit unterschiedlicher Oberflächenbeschaffenheit (z. B. Wollknäuel, Handball, Glaskugel, Plastikkugel etc.). Gibt es Körper, die der Ping))) Sensor nicht erkennt, die für ihn unsichtbar bleiben?

Diese Unterrichtsvorlagen sind entstanden in Anlehnung an die amerikanische Ausgabe "Smart Sensors & Applications" by Andy Lindsay, Parallax Inc., übersetzt und bearbeitet von Reinhard Rahner. BASIC Stamp, Board of Education, Homework Board, Ping))) sind eingetragene und geschützte Warenzeichen der Firma Parallax Inc.

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Kommentare

  • olaf (Sonntag, 10. Dezember 2017 08:35)

    wow...die mit Abstand beste Site, die ich bisher zu diesem Thema gesehen habe :-))
    Vielen Dank dafür. Hilft super beim Erklären!!

  • David Eisenblätter (Sonntag, 11. Februar 2018 13:38)

    Sehr schön erklärt, und zufällig heute, wo ich nochmal nach einer detailierten Gedankenstütze diesbezüglich gesucht habe!

    Vielen vielen Dank!

    David.

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