Signale des HC-SR04 Ultraschall Entfernungsmessmoduls
Die Ansteuerung des Piezo-Senders erfolgt auf dem HC-SR04 Modul durch einen Digitalausgang des Mikroprozessors. Hierbei wird das 0-5 V Rechtecksignal mit einem Tastgrad von 50% und einer Frequenz von 40 kHz gegenüber einem Widerstand an Vcc in seiner Amplitude auf ca. 3,4 V gedämpft. Seitens des Mikrocontrollers werden im eigentlichen Verwendungszweck lediglich 8 Perioden des 40 kHz Signals ausgegeben und die Laufzeit bis zum Eingang des Echos gemessen.
Für die Verwendung des Piezo-Senders in einer eigenen Sendeeinheit wird daher ein einfacher Mikrocontroller wie ein Arduino Nano verwendet werden. Dieser bietet so die Möglichkeit, die Parameter der Ansteuerung leicht über Änderungen im Quellcode umzusetzen. Zugleich erlaubt er künftige Erweiterungen der Funktionalität.
Quellcode - SendeeinheitSofern keines dieser Features gewünscht oder benötigt wird und die reinen Kosten die höchste Priorität besitzen, ließe sich die 40 kHz PWM alternativ auch über diskrete Bauteile realisieren. Als Beispiel wäre hier der LM555 von Texas Instruments zu nennen, dessen Frequenz durch Rückkopplung spannungsunabhängig über die Wahl der Widerstandspaarung gewählt werden kann, während der Tastgrad durch die Wahl der Kondensatorpaarung getroffen wird.
Der Empfangs-Piezo reagiert sehr schnell auf eintreffende Signale. Nach 9 Perioden ist bereits die maximale Anregung erfolgt und die Ausgangsspannungsamplitude am Empfangs-Piezo maximal.
Um das Signal im Empfangsteil besser untersuchen zu können, wurde der Sender-Piezo ausgelötet und über einen Signalgenerator mit einem Dauersignal 40 kHz 0-2 V Rechteck mit 50% Tastgrad betrieben. Wie zuvor erwähnt, zeigte sich im Empfangssignal keine Signaländerung, wenn der Sender-Piezo mit -1 V bis +1 V statt mit 0-2 V betrieben wurde. Das Empfangssignal wurde am Ausgang von OP2 abgegriffen, d.h. nach dreimaliger Verstärkung durch OP4, OP3 und OP2.
Die Operationsverstärker arbeiten mit einer jeweils über Widerstände von Vcc +5 V abgeleiteten Vergleichsspannung, wodurch das Empfangssignal in seiner Amplitude zwischen ca. 1,9 V und maximal GND schwankt. Das Platteau bei 1,9 V stellt ein Clipping dar, welches erst bei nur äußerst schwachem Empfang sichtbar wird, wenn das Empfangssignal als Sinus sichtbar ist. Die Empfangssignalstärke ist maximiert, wenn das Minimum des Signals GND erreicht.
Wird der Sende-Piezo im Direktbetrieb am Funktionsgenerator mit Frequenzen zwischen 5 kHz und 50 kHz betrieben, so können auch andere Frequenzen als 40 kHz ein Signal am Empfangs-Piezo bzw. am abgegriffenen Ausgang des 3. OP vom LM324 auslösen. Bei diesem so empfangenen Signalen handelt es sich jedoch weiterhin ausschließlich um 40 kHz Signale. Da die signalauslösenden Sendefrequenzen ganzzahlige Bruchteile von 40kHz darstellen ist anzunehmen, dass es sich hierbei um Resonanzfrequenzen handelt, welche die 40 kHz Resonanzmode des Empfangspiezos anregen können. Dadurch, dass lediglich 40 kHz angeregt werden können oder der Piezolautsprecher selbst einen entsprechenden Bandpass besitzt, konnte ggf. auf den Bandpass verzichtet werden, wie es in der aktuellen Revision zu erkennen ist.
Obwohl es alternative Frequenzen gibt, mit denen der 40 kHz Empfangspiezo angeregt werden kann, müssten diese vergleichbar präzise mit einem Dauerton abgegeben werden, um eine Störung des Empfangs zu verursachen. Die alleinige Resonanz des Empfangs-Piezos bei anderen Frequenzen u.a. im hörbaren Bereich spielt bei der Beeinflußung durch stochastische Signale wie Rauschen und Sprache keine Rolle. Der hierdurch erzeugte Signalpegel und die sehr kurzfristige, willkürliche Anregung des Piezos ist zu gering, um den Auswertungsalgorithmus zu stören.