Работа учащегося, представленная на конкурс "Достижение современной науки и техники"
творческая работа учащихся по физике (10 класс)

Научно-исследовательский проект

« Достижения современной науки и техники».

«Ультразвуковые сенсоры»

Туманова Полина Александровна

ученица 11 класса ГБОУ школы № 197

Центрального района Санкт-Петербурга с углубленным изучением предметов естественнонаучного цикла (физика, химия, биология).

Тезисы к работе

Актуальность темы проекта

 Область применения ультразвуковых волн невероятно обширна: в металлургии производится ультразвуковая очистка поверхностей, в приборо- и машиностроении осуществляется дефектоскопия деталей, в химии производится очистка и диспергирование суспензий; в медицине и в биологии ;

ультразвук набирает всё большую популярность, используется как во время косметологических процедур, так и во время операций по удалению раковых опухолей.

Цели и задачи исследования:

• самостоятельно изучить основные свойства и применение ультразвука;
• смоделировать и сконструировать практически применимое электронное устройство, действие которого основывается на применении ультразвукового генератора/приёмника;
• разработать рабочее программное обеспечение для сконструированного электронного устройства;
• составить описание используемых в работе материалов, пояснение к этапам проектной деятельности.

Теоретическая часть

1.Ультразвуковые волны (ультразвук) — это упругие акустические волны (последовательные колебания частиц среды), способные распространяться в материальных средах (твёрдых, жидких и газообразных). Нижняя граница ультразвуковых волн лежит в области 16-20 кГц, верхняя достигает сотен мегагерц. Обе границы достаточно условны и находятся за пределами слышимости человека.

 2. Методы генерирования ультразвуковых волн

• обратный пьезоэлектрический эффект: пластинка кварца (или другого кристалла с нужными свойствами), помещённая между обкладками плоского конденсатора, на которые подаётся переменное напряжение, приходит в вынужденные колебания, попеременно сжимаясь и растягиваясь, что порождает колебания частиц среды;
• магнитострикция: ферромагнитный стержень, помещённый в переменное магнитное поле, изменяет свои линейные размеры, порождая колебания среды;
• электрострикция: то же, что и пьезоэлектрический эффект, только деформации зависят от степени напряжённости, а не от направления сил электрического поля.

Практическая часть работы

Принцип действия прибора:

1. УЗ сенсор преобразовывает электрические импульсы в механические колебания, передающиеся среде;
2. Колебания (УЗ волны) отразившись от поверхностей, возвращаются к сенсору, где преобразуются в электрические сигналы;
3. Фиксируется время между исходящим и входящим сигналом, рассчитывается расстояние до объекта

Пояснение к этапам проектной деятельности.

 Используемые материалы/ аппаратное обеспечение:

1. Arduino Uno – устройство на основе микроконтроллера Atmega328. В его состав входит всё необходимое для удобной работы с микроконтроллером: 14 цифровых входов/выходов (из них 6 могут использоваться в качестве ШИМ-выходов), 6 аналоговых входов, кварцевый резонатор на 16 МГц, разъём USB, разъём питания, разъём для внутрисхемного программирования (ICSP) и кнопка сброса. Для начала работы с устройством достаточно просто подать питание от AC/DC-адаптера или батарейки, либо подключить его к компьютеру посредством USB-кабеля. Рабочее напряжение Arduino Uno — 5 вольт.
2. Макетная плата (BreadBoard) — устройство, позволяющее создавать прототипы проектов Arduino без необходимости непрерывной пайки схем. Использование макета позволяет создавать временные прототипы и экспериментировать с различными схемами.

-1-

Внутри отверстий (точек крепления) пластикового корпуса находятся металлические зажимы, соединённые друг с другом полосками из проводящего материала.

3. Ультразвуковой дальномер HC-SR04

Рабочее напряжение — 5 вольт; частота ультразвука — 40кГц. Цифровые выводы: TRIG и ECHO. При подаче положительного импульса на вход датчика TRIG длительностью 10 мкс датчик генерирует звуковую волну (8 импульсов 40кГц), устанавливает уровень логической «1» на выходе  ECHO. При возвращении волны / по истечении 38 мс датчик сбрасывает уровень на ECHO в «0». Замеряется время наличия логической «1» для расчёта расстояния до препятствия.

4. Пьезодинамик — пьезокерамический излучатель, состоящий из металлической пластины, на которую нанесена пьезоэлектрическая керамика, имеющая токопроводящее напыление.

5. Светодиоды — полупроводниковые элементы для индикации и освещения.

6. Резисторы 220 Ом.

7. Батарейка крона — батарейка на 9 вольт, имеющая два полюса на одном из торцов. Используется для автономного питания устройства.

Разработка программного обеспечения

1. Программирование:  загрузка приложения для написания программ от Arduino, просмотр используемого синтаксиса. Написание программы: определение номеров цифровых пинов платы, к которым подключены электронные устройства; настройка цифровых пинов в режим выхода/входа напряжения; написание команд для пинов TRIG и ECHO дальномера; выведение формулы для расчёта расстояния до препятствий исходя из времени прохождения сигнала дальномера; программирование простейшего интерфейса (из светодиодов и пьезодинамика).

-3-

2. Отладка, тестирование  программы.

3. Написание пояснения к программному и аппаратному обеспечению.

   Пояснение к программному обеспечению

  Часть 1:

#define trigPin 6                 Задаётся номер цифровых пинов платы

#define echoPin 7               Arduino, к которым подключаются

#define GreenLED 11         электронные устройства: зелёный,

#define YellowLED 10        жёлтый и красный светодиоды к пинам

#define RedLED 9               11, 10 и 9 соответственно,

#define buzzer 3                  пьезодинамик — к пину 3, ультразвуковой

                                            дальномер — к 6 и 7. С этих пинов от                     микроконтроллера на электронные устройства подаются управляющие электрические сигналы. (Подключение можно рассмотреть на фото в приложении к тезисам).

   Часть 2:

void setup() {                                   Цифровые пины, соответствующие

Serial.begin (9600);                         конкретным электронным

pinMode(trigPin, OUTPUT);          устройствам, настраиваются

pinMode(echoPin, INTPUT);          в режим выхода (OUTPUT)

pinMode(GreenLED, OUTPUT);   (т.е. Источника напряжения),

pinMode(YellowLED, OUTPUT);  и входа (INTPUT). Режим

pinMode(RedLED, OUTPUT);      входа устанавливается только

pinMode(buzzer, OUTPUT); }       для пина echoPin

                                                        ультразвукового дальномера,

                                                        так как именно на этот пин возвращаются         электрические сигналы - преобразованные приёмником ультразвуковые волны.

   Часть 3:

void loop() {                                     На выводе Trig генерируется

long duration, distance;                    положительный импульс длинной

digitalWrite (trigPin, LOW);           10 мкс. Затем датчик выпускает

delayMicroseconds(2);                     серию из 8 импульсов и

digitalWrite (trigPin, HIGH);           поднимает уровень на выводе

delayMicroseconds(10);                   Echo, перейдя при этом в режим

digitalWrite (trigPin, LOW);             ожидания отражённого сигнала.

duration=pulseIn (echoPin,HIGH);   Как только дальномер

                                                                                                                                зафиксирует возвращение звуковой волны, он завершит положительный импульс на Echo. Функция pulseIn замеряет длину положительного импульса на  echoPin в микросекундах.

   Часть 4:

distance = (duration)*sqrt(295))/1000;

  Высчитывается расстояние до препятствия (distance, м) по полученному значению продолжительности (duration) ожидания возвращения импульса.

  Расстояние вычисляется умножением скорости (V, м/с) звуковой волны на время ожидания эха (duration, с). Так как звуковая волна проходит расстояние от датчика до объекта, а нужно только до объекта, то результат делится на 2: (distance=V*duration/2).

  Скорость звука в воздухе величина не постоянная и зависит от температуры среды: V=ɣRT/M, где

V-скорость звука в воздухе,  

ɣ- показатель адиабаты воздуха = 7/5 ед.,

 R-универсальная газовая постоянная (Дж/моль*К) = 8,3144598...,

М- молекулярная масса воздуха (г/моль) = 28,98,

T-абсолютная температура воздуха (К) =t°C +273,15.

   Подставим в формулу значения  ɣ,R,M, получим:

V=20,042√Т

Остается объединить формулы вычисления V и L, перевести  L из м в см, duration из с в мкс, T из °К в °С, получим:

  distance=duration√(t+273,15)/1000

  Температура в данном проекте принимается приблизительно за 22°C (комнатная температура), сумма 22 и 273,15 округляется до 295, поэтому в работе данного устройства присутствует погрешность.

   Часть 5:

  while (distance>60){                               Программируется понятная

noTone (buzzer);                                        человеку система

digitalWrite (GreenLED, LOW);              интерперетации оценки

digitalWrite(YellowLED, LOW);             полученных значений: при

digitalWrite(RedLED, LOW);  }               приближении

  if (distance>40 && distance<=60){       объекта к устройству

digitalWrite (GreenLED, HIGH);             возрастает частота

digitalWrite(YellowLED, LOW);             звучания

digitalWrite(RedLED, LOW);                  пьезодигнамика,

tone (buzzer,250);}                                   последовательно

  if (distance>20 && distance<=40){       загораются зелёный,

digitalWrite (GreenLED, LOW);             жёлтый и красный

digitalWrite(YellowLED, HIGH);           светодиоды.

digitalWrite(RedLED, LOW);

tone (buzzer,350);}

  if (distance>0 && distance<=20){

digitalWrite (GreenLED, LOW);

digitalWrite(YellowLED, LOW);

digitalWrite(RedLED, HIGH);

tone (buzzer,500);}}

Список использованных интернет-ресурсов:

• ArduinoMaster.ru
• Arduinoplus.ru
• arduino.ru
• robotclass.ru

-6-

Приложение

№1

№2  

№3