目次＞５章　第２ステップ（色々な実験）　（２４）超音波を扱う（送受信の動作確認）

超音波を扱う
−　送受信の動作確認　−

更新日２００８．６．７

ここでは超音波を使って、物体までの距離を測る実験を行います。
今回は、その手始めとして超音波をＰＩＣで扱う方法を説明します。

超音波とは
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人間の耳に聞こえる音の高さは、２０Ｈｚ〜２００００Ｈｚと言われています。（耳が良い人で）
超音波は音と全く同じですが、人間の耳で聞こえるよりも高い音を言います。
一般的に、２００００Ｈｚ以上の音を超音波と言っているようです。

音は空気の振動で伝わり、そのスピードは１秒間に約３４７ｍ（１気圧で気温が２５度Ｃの場合）です。
そして、硬い物体からは反射してきます。（トンネルの中で大声を出したり、山に登ってヤッホーと叫んだ時の状態）

超音波も全く同じ性質を持っていますので、超音波を出すと壁などの硬い物からは反射して返ってきます。
従って、超音波を送信してから反射音を受信するまでの時間で、音を反射した物体までの距離を知る事ができます。

使用するパーツ

今回の主役は、超音波送信器と超音波受信器です。

音と同じですので、超音波送信器はスピーカ、超音波受信器はマイクの役割を果たします。違いは、扱う周波数が高いと言う点のみです。

左が送信器、右が受信器です。
見た目は同じですが、送信器にはＳ、受信器にはＲの文字が書かれています。

今回使用した超音波送受信器は、４０ＫＨｚのものです。形状はどのような物でもＯＫです。

回路図

今回の回路は非常に簡単で超音波送信部のみです。
後のページで、受信部（アンプ）と表示部（ＬＣＤ）を追加します。

超音波送信器をＰＩＣのRA0とRA1に接続し、反転したデータを出力することで強い超音波を発生します。
（送信器に加わる電圧は、ＰＰ約１０Ｖ）

今回は受信部は作らず、受信器の信号はオシロスコープで確認しました。

【参考】
超音波送信器のために、９〜１２Ｖの別電源を用意し、トランジスタやＦＥＴで制御するような方法もあります。
また、ＰＩＣを使わず５５５などのタイマＩＣで超音波を発生する方法もあります。
ですが、このページのポリシーは、「ハードウェアは極力単純化し、後はソフトウェアで頑張る」ですので、このような簡単な回路にしました。

こちらは、ブレッドボードに組んで実験しているところです。

右下の黒い円柱が超音波送信器

その左の黒い円柱が超音波受信器
こちらはＰＩＣには接続していません

超音波送信プログラム

今回使用した超音波送受信器は４０ＫＨｚのものです。
従って、４０ＫＨｚをＲＡ０／１に出力する必要があります。

超音波は送信し続けるのでは無く、５０ミリ秒毎に２０サイクル分送信するようにします。

送信サイクル数は多いほど強くなり、受信感度が上がります。ですが、短い距離を測定しづらくなります。
１０，２０，４０，８０サイクルを試した結果、１０サイクルではかなり弱く、２０サイクル以上は大差ありませんでしたので２０サイクルにしました。

超音波送信間隔は、測定する距離の上限を５ｍ程度とし、余裕を見て約９ｍを音が往復する時間（５０ミリ秒）としました。

４０ＫＨｚの時間
４０ＫＨｚの１サイクルの時間は、２５マイクロ秒、半サイクルの時間は１２．５マイクロ秒です。
１秒／４０ＫＨｚ＝２５マイクロ秒
２５マイクロ秒／２＝１２．５マイクロ秒
従って、１２．５マイクロ秒毎にＲＡ０／ＲＡ１をＯＮ／ＯＦＦさせれば４０ＫＨｚの超音波を送信できます。

この時間は、ＴＭＲ０割込みを使って作ります。

まず、クロックが２０ＭＨｚですので、
・１クロックの時間：０．０５マイクロ秒（１秒／２０ＭＨｚ）
・１命令の時間：０．２マイクロ秒（１クロックの時間×４）

従って、１２．５マイクロ秒の命令数は、６３になります。
１２．５／０．２＝６２．５（四捨五入して６３）

以上の事から、ＴＭＲ０割込みの設定は、
・プリスケーラ：なし
・ＴＭＲ０設定値：２５６−６３＋１０
　（＋１０はＴＭＲ０割込みのオーバヘッド）

そして、ＴＭＲ０割込み毎にＲＡ０／ＲＡ１をＯＮ／ＯＦＦさせれば、約４０ＫＨｚの超音波を発生できます。
この時の注意は、常にＲＡ０とＲＡ１は逆の状態にすると言う点です。
（ＲＡ０がＯＮの時はＲＡ１をＯＦＦ，ＲＡ０がＯＦＦの時はＲＡ１をＯＮ）

今回のプログラムはこちらです。

送受信の確認

今回のプログラムでいくつか動作を確認しました。

まず、超音波送信器の両端にかかる電圧を見てみましょう。

このように、最大１０Ｖのパルスになっています。
時間軸：１０ｕＳ／ＤＩＶ

次からは、送信器と受信器の波形です。

緑はＲＡ０（送信器）、黄色は受信器の波形です。
緑の波形から、波長が約２５マイクロ秒である事が分かります。
一方、受信器（黄色）には非常に高い周波数のノイズがたくさん乗っています。
時間軸：２０ｕＳ／ＤＩＶ

時間軸を変えてみましょう。
緑の送信側は、５２ｍＳ毎に超音波送信している事が分かります。
一方、黄色の受信側は、大きな三角波のようなうねりがあります。これは、商用電源の５０Ｈｚがノイズとして乗っているためです。

受信側で注目する点は、ノイズの他に超音波の受信波が見える点です。緑の超音波送信の直後に、受信側にノイズ以外の信号が見えます。
これは、約５０ｃｍ先の手の平から反射した超音波です。

時間軸：１０ｍＳ／ＤＩＶ

下は時間軸を少し拡大しました。
超音波送信（緑）から約３ミリ秒後に反射波を受信（黄）している事が分かります。上と同じで５０ｃｍ先の手の平からの反射です。

音速は、約３４７ｍ／秒ですので、１ｍだと約２．９ミリ秒です。（５０ｃｍ先の手の平は往復１ｍ）
このように反射波を受信するまでの時間で、反射した物までの距離を測る事ができます。

時間軸：１ｍＳ／ＤＩＶ

今回の実験はここまでです。
超音波を使って物体までの距離を測定できることが分かりました。

超音波受信器には、周波数が低いノイズと非常に高いノイズが乗っていますが、いずれも受信回路（アンプ）で簡単に取り除けますので安心して下さい。

続編では、受信回路（アンプ）と表示回路（ＬＣＤ）を追加して、測定した距離を表示できるようにします。