Measuring distance with ultrasonic sensor

1
PRJ2
초음파센서 거리측정기
송 창 섭

2
목차
1. 재료목록
2. 블록 다이어그램
3. 초음파 센서 원리
4. 초음파센서 송신부
5. 초음파센서 수신부
6. 카운터 클리어 펄스 & 래치 클리어 펄스 단
7. 시간 측정 단
8. 개선 대책
9. 작업 사진
10. 전체 회로도 & PCB design
11. 작품후기
12. REFERENCE

4
1. 재료목록
번호 재료명 규격 단위 개수
1 Chip Ic NE555(SMD) 개 1
2 IC NE555 개 1
3 IC 4584 개 1
4 IC 4011 개 1
5 IC RC4558 개 1
6 IC LM358 개 1
7 IC 4069 개 1
8 IC 4553 개 1
9 IC 4511 개 1
10 IC소켓 8PIN(DIP) 개 3
13 저항 150[kΩ], ¼[W], 1% 개 1
14 저항 10[kΩ], ¼[W], 1% 개 8
15 저항 2[MΩ], ¼[W], 1% 개 1
16 저항 8.2[kΩ], ¼[W], 1% 개 1
17 저항 1[MΩ], ¼[W], 1% 개 2
18 저항 47[kΩ], ¼[W], 1% 개 1
19 저항 1[kΩ], ¼[W], 1% 개 2
20 Chip 저항 SMD 330[Ω] 개 7
21 마일러콘덴서 0.047[μF] 개 1
22 세라믹콘덴서 680[μF] 개 1
23 세라믹콘덴서 100[μF] 개 1
24 세라믹콘덴서 0.1[μF] 개 9
25 세라믹콘덴서 0.01[μF] 개 3
26 세라믹콘덴서 0.001[μF] 개 4

5
1. 재료목록
27 세라믹콘덴서 0.0047[μF] 개 1
28 반고정저항 47[kΩ] 개 1
29 반고정저항 10[kΩ] 개 1
30 TR A1015 개 3
31 FND 500 개 3
32 초음파센서 SE-400ST160 개 1
33 초음파센서 SE-400SR160 개 1
34 Diode 1SS106 개 2
35 Diode 1N4148 개 3
36 커넥터 녹색단자(2P) 개 1
37 기판 Bear PCB 개 1

7
초음파 발진기
초음파 펄스발진기
검파회로
초음파 거리 측정 회로
측정 펄스발진기
카운터 클리어 펄스
래치 클리어 펄스
FND출력
초음파 송신부 초음파 수신부 신호검출
2. 블록 다이어그램
시간측정

9
3-1. 초음파 센서 원리
● 박쥐는 초음파를 발생하여 돌아오는 ECHO를 받아 물체와의 거리를 계산
● 초음파 센서(Ultrasonic)는 박쥐의 Detecting 방식을 그대로 모방하여 동작
● Round Trip Time = (2 x Distance) / Sonic Speed
● 음속 340m/s, 온도 25 ℃, 거리 단위 m로 계산
Figure 1. Echolocation bats use Figure 2. Ultrasonic principle

10
3-2. PIEZOELECTRIC EFFECT
▶ 초음파 송신
● Ceramic 양단에 전압을 걸어주면 Ceramic 내부의
양전하와 음전하는 극성에 따라 이동
 Ceramic이 팽창과 수축을 하게 됨
● 전압의 극성을 바꿔주게 되면 Ceramic이 팽창과
수축을 반복하게 됨
 진동을 일으켜 초음파를 발생
▶ 초음파 수신
● 초음파를 수신하면 Ceramic이 팽창과 수축을 하여
전압을 발생함
Figure3. How to make vibration

12
4-1. NE555 Timer
● 불안정 모드로 동작하여 Pulse 가 발생
● Output이 Low와 High로 지속적으로 전환됨
● Pin2 – Trigger
 FF의 Set & Reset을 전환할 수 있음, Control 전압
VCC/3 이하가 되면 Output VCC/2 전까지 상승
 Timing 간격 시작
● Pin5 – Control
 Timing을 조절하며 VCC/2로 동작, noise 제거를 위
해 Capacitor를 연결
● Pin6 – Threshold
 VCC*2/3 보다 크면 FF가 Reset되어 Output이
High->Low
● Pin7 – Discharge
 내부 NPN TR의 open collector에 연결, VCC*2/3
보다 크면 Output이 High->Low
Figure4. Astable mode

13
4-1. NE555 Timer
● The charge time (output high) by
 Th= 0.693(RA + RB)*C
● The discharge time (output low) by
 Tl= 0.693*RB*C
● The total period is
 T = Th+ Tl
= 0.693*(RA+2RB)*C
● The frequency of oscillation is
 freq. = 1/T
● The duty cycle is
 Duty = RB/(RA+2RB)
Figure5. Astable Waveforms
Outpu
t
Capacitor
Voltage

14
4-2. 초음파 펄스 발진회로
Figure6. Oscillation Pulse Generator
● 초음파 펄스의 송출시간을 제어하기 위한 발진 회로
● Trigger와 Threshold Initial Voltage를 5V로 Set
 처음 충전 시간을 Skip
● R2와 R5의 저항은 각각 160kΩ, 10kΩ 사용
(Typical resistance)
● Tl = 0.693*RB*C
= 0.693*(160k+10k)*100p
= 11μs
● TL = 0.693*(RA+RB)*C
= 0.693*(30k+160k+10k)*100p
= 13.86μs
● freq. = 1/(11+13.86)
= 40.23kHz
 40kHz로 초음파 주파수를 발진

15
4-3. 초음파 펄스 실제 파형
● 초음파 펄스가 39.67kHz로 출력 됨
● T = Th+ Tl
= 0.693*(RA+2RB)*C
 RA+2RB +에서 설계상 30kΩ, 170kΩ
 But, 실제 PCB에서 2RB = 115kΩ 으로
상당한 차이 발생
Figure7. Oscillation Pulse Waveform

16
4-4. Waveform 분석
● Trigger at V(C1:2)의 전압이 4V이하(Control 전압의 절반)로 떨어지면
Output -> High, Timing 간격 시작
● Trigger at V(C1:2)의 전압이 8V이상(Control 전압)으로 올라가면
Output -> Low, Timing stop
 freq. = 1/(175.61μs – 152.09 μs)
= 42.52kHz
 약 42kHz로 발진
Time
130.0us 140.0us 150.0us 160.0us 170.0us 180.0us 190.0us
124.2us 197.6us
V(SONIC)
0V
5V
10V
15V
20V
(156.798u,11.961)
V ( R 3 : 1 ) V ( C 1 : 2 )
0 V
5 V
1 0 V
S E L > >
(175.612u,3.9610)
(151.092u,3.9610)
Figure7. Oscillation Pulse Simulation

17
4-5. 발진 회로
Figure8. Oscillation Circuit
● Trigger와 Threshold Initial Voltage를 5V로 Set
 처음 충전 시간을 Skip
● R3, R2, R5의 저항으로 각각 30kΩ, 160kΩ, 10kΩ
● Tl = 0.693*R6*C
= 0.693*(8.2k)*47n
= 267μs
● TL = 0.693*(R6 + R7)*C
= 0.693*(2M + 8.2k)*47n
= 65.4ms
● T = 267μs + 65.4ms
= 65.66ms
 65.66ms로 1 Pulse 제어

18
4-6. 발진 회로 실제 파형
Figure8. Oscillation Waveform
● 실제 파형에서는 16.2Hz로 발진
● 이론상 1/65.66m = 15.2Hz로 1Hz의 차이

19
4-7. Waveform 분석
● Trigger at V(C1:2)의 전압이 4V이하(Control 전압의 절반)로 떨어지면
Output -> High, Timing 간격 시작
● Trigger at V(C1:2)의 전압이 8V이상(Control 전압)으로 올라가면
Output -> Low, Timing stop
 T = 0.693*(131.38ms-65.59ms)
= 65.79ms
 약 65ms의 주기로 펄스를 check
Figure9. Oscillation Timing Simulation
Time
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms 180ms 200ms
V(C3:2)
0V
5V
10V
SEL>>
0s 20ms 40ms 60ms 80ms 100ms 120ms 140ms 160ms 180ms 200ms
IC_PULSE
V(X2:DISCHARGE)
0V
5V
10V
(131.380m,8.0077)
(65.690m,8.0158)

20
4-8. Tx 단
Figure10. Ultrasonic Driver
● 7437은 NAND GATE로 초음파 펄스와 발진 신호가
모두 High일 때 High로 출력
 초음파 펄스 타이밍제어
● 7414는 Schmitt-Trigger Inverter로써 이 회로에서
Comperator로 사용
● Figure 10에서 Vin > Vref  Vcc (High)
Vin < Vref  -Vcc (Low) 로 출력
● 입력이 반전되어 출력되며 2*|VCC| 만큼 이론상
증폭됨
● U1B+U1D는 전류증폭, U1C+C5는 전압증폭
Figure11. op-amp 7437 Characteristic
Voltage Doubling
Current Doubling

21
4-9. Tx 단 실제 파형
● 위쪽 로드에서는 –전압이, 아래쪽 로드에서는 +전압
을 Transmitter에서 출력
Figure12. Ultrasonic Driver
Figure13. Ultrasonic Driver Waveform

22
4-10. Tx 단 Datasheet
Figure14. Hysteresis Effect
● Vi이 커지면서 변하는 Vo과 Vi가 작아지면서 변하는 Vo, 즉 Vo의 swing을 막아 일정한 출력전압으로 fix
 Hysteresis Effect
● Vi이 VT+=1.7V보다 크다면 Vo를 3.4V로 출력하며 High로 처리
● Vi이 VT-=0.9V보다 작다면 Vo를 0.2V로 출력하며 Low로 처리
● VT 구간은 0.9V~1.7V 이며 High Noise Immunity 특성
Figure15. SN7414 Characteristics

23
4-11. Tx Waveform
Figure16. Ultrasonic Transmitter Simulation
● At datasheet, High signa이 들어오면 Low signal, -3.31V로 출력
● Low signa이 들어오면 High signal, 3.45V로 출력
● VT+=1.7V로 약 2배 증폭이 됨을 확인
Time
65.7000ms 65.7500ms 65.8000ms 65.8500ms 65.9000ms 65.9500ms
65.6775ms 65.9801ms
V(C5:1) V(U1D:Y)
-4.0V
0V
4.0V
-6.0V
6.0V
65.7000ms 65.7500ms 65.8000ms 65.8500ms 65.9000ms 65.9500ms
65.6775ms 65.9801ms
U2A:Y
(65.804m,3.4524)
(65.805m,-3.3167)

● 안정적인 6V를 공급하기 위한
회로 (Noise를 Capacitor를 통해
GND로 흘려 보냄)
● 1st 증폭
 Av = Vo/Vi = 1 + Ro/Ri
 Ro = 9kΩ, Ri = 1kΩ
 10배 증폭
● 2nd 증폭
 Av = Vo/Vi = 1 + Ro/Ri
 Ro = 10kΩ, Ri = 1kΩ
 11배 증폭
● 최종 증폭 : 10 x 11 = 110배
(이론상)
25
5-1. 증폭단 Schematic
Figure17. Receiver Schematic

● Receiver에서 신호를 닥고 op amp 첫 단에서
약 250mV -> 10V로 about 50배 증폭 확인
● 이론상 Unity Gain Bandwidth = 3MHz
 3M = 40kHz x Av
 Av = 75
● 75배가 증폭 되어야 하지면 실제 결과는 50배 증
폭
26
5-2. 증폭단 실제 파형
Figure18. Receiver Waveform

27
Time
8.9800ms 9.0000ms 9.0200ms 9.0400ms 9.0600ms
8.9604ms 9.0778ms
V(OUT2)
6.0V
7.0V
4.8V
SEL>>
(9.0197m,5.0211)
(9.0317m,6.9842)
V ( R X )
- 1 0 m V
0 V
1 0 m V
(9.0187m,-9.999m)
(9.0317m,9.941m)
● Rx 신호가 -10mV인 경우 Vout = 5.021, 6V(REF) – 5.021 = 0.979
Rx 신호가 10mV인 경우 Vout = 6.984, 6V(REF) – 6.984 = 0.984
 about 98배 증폭
5-3. Rx Waveform
Figure19. Receiver Simulation

28
● Single power로 VCC+ (6V), VCC- (GND) 이므로 조건 VCC+ (18V) ~ VCC- (-18V)에 부합
● 입력신호는 -10mV ~ 10mV 이므로 조건 +-15V에 부합
● Unity-gain bandwidth : 3MHz 고려
5-3. RC4558 Characteristic
Figure20. RC4558 Characteristics

29
● 4MHz에서 Gain이 -3dB, 3MHz에서 Gain이 0dB (이득1)
 최대 4MHz까지 유효한 주파수이며 3MHz까지 사용
● Signal이 3MHz시 phase는 -140 degree 만큼 위상차가 발생, but 사용 Signal = 40kHz이므로
phase lag은 0 degree에 가까움
5-3. LM324 characteristic
Figure21. RC4558 Unity-gain Bandwidth

30
● Unity-gain bandwidth = Gain x Bandwidth
● 1st 증폭
 3Mhz = 10 x 0.3Mhz
10배 증폭 & 300kHz 대역폭을 가지므로 입력 주파수 40kHz에 부합
● 2nd 증폭(이론상)
 3Mhz = 10 x 0.3Mhz
● 2nd 증폭(In simulation)
 3Mhz = 11 x 0.272Mhz
● 이론상 100배 증폭 시 1st 10배 , 2nd 10배 = 100배 증폭
 But, simulation결과 110배 증폭(1st 10배, 2nd 11배)해야 실제 값 98배 증폭
5-4. Simulation 결과

Time
8.520ms 8.540ms 8.560ms 8.580ms 8.600ms 8.620ms
V(C4:1)
0.5V
1.0V
1.5V
(8.5486m,820.262m)
(8.5313m,1.3458)
V ( S I N G L E 2 )
4 . 0 V
5 . 0 V
6 . 0 V
7 . 0 V
S E L > > (8.5433m,5.1751)
(8.5303m,7.0662)
31
5-5. 검파회로
Figure22. Detecting Sonic Signal Figure23. Getting DC Voltage from Signal at simulation
● Schottky Barrier Diode(고주파 특성 우수)를 이용한 Half Wave Rectifier
● C4 커패시터를 추가하여 DC 전압을 얻을 수 있음
● 커패시터가 없다면 AC 전압 형태를 유지
Capatitor 없을 경우 Capatitor 있을 경우

32
5-5. 검파회로 실제 파형(실패)
Figure24. Detecting Sonic Signal Waveform
● 반파정류 회로로써 AC의 –전압을 cut하고 DC 전압
으로 변환
● C4 커패시터를 추가하여 DC 전압을 얻을 수 있음

33
5-6. 신호 검출회로
Figure25. Detecting Signal from Tx to Rx
● LM358 op amp의 Vin+에는 Tx pulse를, Vin-에는
signal을 입력하여 송신과 수신사이의 왕복 시간을 계
산하여 거리를 계산
● C1 capacitor를 추가하여 일정시간 Tx pulse의 회절
타이밍때 방전되어 오류를 방지
● Open Collector단에 Pull up 저항을 추가하여 High
시 12V로 유지
● LM358은 op amp이지만 Feedback을 걸어주지 않
으면 comparator로 동작
 초음파 수신 신호 검출

Time
0s 1.00ms 2.00ms 3.00ms 4.00ms 5.00ms 6.00ms 6.69ms
V(D1:1) V(R1:1)
0V
5V
10V
15V
V(R4:2)
0V
5V
10V
SEL>>
34
5-7. 신호 검출 Waveform
Figure26. Preventing Rx error
● op amp의 Vin+에 초기 Tx시 일정시간동안 방전하여 송신 신호가 회절 되어 잘못된 Rx 신호를 방지
 Capacitance를 조절하여 타이밍 조절
● Vin-에 신호가 들어오면 Vin- > Vin+가 되어 Low로 출력되고 이 구간을 측정하여 거리를 계산
Tx Rx

35
5-8. 신호 검출 실제 파형(실패)
● 약 16Hz의 펄스를 이용하여 신호가 없을 시
comparator로 동작하여 vcc(12V), High state
● Vin-에 신호가 들어오면 Vin- > Vin+가 되어 Low로
출력되고 이 구간을 측정하여 거리를 계산
Figure27. Preventing Rx error at waveform

36
5-9. 신호 검출 시도
● 4558 op amp의 Pin1에서 신호가 50배 증폭됨을 확인하였고 Pin6(Vin)단까지
신호가 검출 되었으나 Pin7에서 파형을 측정하지 못함
► 시도한 과정
1. C5와 R12(High Pass Filter) 교체 -> 변화 x
2. 4558 IC 멀티미터로 short test -> 이상 x
3. 4558 IC 교체 -> 변화 x
4. 초음파 펄스 단 Jumper Re-soldering -> 변화 x
5. Socket 교체 후 Re-soldering 후 4558 IC 장착 -> 변화 x
6. R8저항과 C6 Capacitor에 Tweezer로 충격을 줄 시 FND의 출력 값이 변함
-> R8, C6 교체 -> 변화 x
7. 증폭 단, 검파 단, 신호 검출 단 components 전부 교체 후 Re-soldering
-> 변화 x
8. Socket을 제거 후 4558 IC를 직접 soldering -> 변화 x
9. 전체 components short test 후 -> 변화 x
10. 전체 저항 측정 -> 변화 x
► 결함 추측
1. PCB patterning defect
2. Cold joints
3. soldering 도중 PCB patter이 heat을 받아 손상
4. components defect
Figure28. Sonic Distance Circuit at PCB

37
6. 카운터&래치 클리어 펄스

38
6-1. 카운터 펄스 발진 회로
Figure30. Rx Counter pulse Simulation by time domain
● Rx 신호를 측정하기 위한 펄스 회로
● fo = 1/(2.2 x R3 x C1)
= 1/(2.2 x 4.4k x 4.7n)
= 17.23kHz
● Simulation 결과 17.kHz를 확인
● 가변저항을 조절하여 1m의 거리를 측정
 ex) 왕복시간 = (2ms)/(343.5m/s) = 5.82ms
 f=100/5.82m = 17.18kHz
T i m e
0 s 1 0 0 u s 2 0 0 u s 3 0 0 u s 4 0 0 u s 5 0 0 u s 5 8 4 u s
V ( C 1 : 1 )
0 V
4 . 0 V
8 . 0 V
F r e q u e n c y
0 H z 1 0 K H z 2 0 K H z 3 0 K H z 4 0 K H z 5 0 K H z 6 0 K H z
V ( C 1 : 1 )
0 V
2 . 0 V
4 . 0 V
(17.000K,3.0859)
Figure29. Rx Counter pulse Simulation by Hz domain
• 음파속도
343.5m/s

39
6-2. 측정 펄스 발진 회로
Figure31. Rx & Tx Timing circuit (~SR Letch)
● Tx timing pulse A – High에서 초음파가 송신되면
High -> Low -> High
 초음파 start point
● 신호검출회로 – High에서 초음파가 수신되면
High -> Low -> High
 초음파 end point
● 두 Falling Edge의 간격을 측정하여 왕복시간 계산
A: Tx timing
pulse
B: 신호검출회로출
력
초음파 왕복시간
Figure32. Calculating Distance by using Rx & T
x timing

40
6-3. 카운터 클리어, 래치 클리어 펄스
Figure33. Counter & Letch clear pulse
● Letch단의 경우 D4 다이오드에서 12.7V로 Clamping
Counter단의 경우 D5 다이오드에서 -0.7V로 Clamping
● Letch단의 경우 R12 – Pull Up -> High 시 12.7V로 유지
Counter단의 경우 R13 – Pull Down -> Low 에서 -0.7V로 유지
12V
-
12V
12V
Rx
12V
전류증폭
0.7V
0.7V
*Vref+ = 12.7V
* Vref- = -0.7V

42
7-1. 시간 측정 회로
Figure34. Distance Timing Calculating
● 수신 신호를 checking하는 pulse를 CLK로, 신호를
송신하면 MR로 Falling Edge가 들어와 Count reset
● 1m 거리가 나오도록 Initial Calibration 하여 100번
count할 때 17.18Hz의 클럭이 Counter를 동작
● 신호를 수신하면 Letch로 Rising Edge가 들어오며
송수신 interval 동안 count된 값을 Latch로 저장
 다음 측정 완료 전까지 Data 유지
● Q0 ~ Q3  2^4 = 16로 Digit 0~9 까지 10가지를 나
타내야 하므로 4bits를 이용
● ~DS1~3, Active low로 select digit
● Pin3,4에 Capacitor를 연결하여 내부 oscillator 조
절
Figure35. 3-Digit BCD Counter Expanded Block Diagram Figure36. Control Scan oscillator with capacitor

44
8-1. ESD 대책 & Noise 제거
Figure37. ESD protection with
● ESD(Electrostatic discharge) 대책으로 TVS(Transient Voltage
Suppression)를 1N963으로 사용
 At IF = 200mA, VF = 1.5V 로 실제 회로에 흐르는 전류는
20mA 이하 이므로 VF가 더 낮음
 Vz = 12V, VF = 1.5V로 13.5V로 clamping
 ESD 반복 특성은 수천 회로 낮지만 자동차의 평균 사용시간
은 5~15년으로 가정하면 번개에 맞을 확률이 희박 하므로
적정
● 2차 LPF, fc = 1/2πRC 로 -> 60khz로 계산하면 R=100ꭥ, C =25 μF
 Standard resistance, Capacitance로 가격 절감,
 초음파 주파수 40khz로 마진 1.5배로 설계
Figure38. 1N963 Characteristics

45
8-2. 4558 op amp 증폭 개선
Figure39. Tuning Rin, Rf at 4558 op amp
● Unity Gain Width = Av x Fcut
 3Mhz = 75 x 0.4Mhz
 Av가 40khz에서 75배 증폭
● op amp 1단,
Rin = 10kꭥ  10kꭥ
Rf = 1Mꭥ  100kꭥ
● op amp 2단,
Rin = 1kꭥ  10kꭥ
Rf = 1kꭥ  100kꭥ
 1단에서 10배, 2단에서 10배 증폭으로 100배 증폭 개선
Figure40. Unity Gain Bandwidth at 4558

47
9. 작업 사진
Figure22. Preventing Rx error Figure22. Preventing Rx error

48
10. 전체 회로도 & PCB design

49
10-1. 초음파 거리 측정 회로 PAGE 1

50
10-2. 초음파 거리 측정 회로 PAGE 2

52
11. 작품 후기
► PCB
● Soldering
 판별하기 어려운 Cold Joint 발생 시 수정하기 어려움
 soldering 시 Via에 정확히 채워졌는지 확인 필요
● op amp 4558
 1단 op amp의 증폭은 되나 2단 op amp의 증폭이 안되어 pin7에 출력이 안 나옴
 PCB 배선의 손상 or PCB 자체 default
 debug를 하였으나 끝내 찾지못해 아쉬움이 남음
► OrCAD
● Schematic
 Footprint가 없는 part들을 만들어서 input
● op amp 4558
 1단 op amp의 증폭은 되나 2단 op amp의 증폭이 안되어 pin7에 출력이 안 나옴
 PCB 배선의 손상 or PCB 자체 default
 debug를 하였으나 끝내 찾지못해 아쉬움이 남음

54
Figure1 -
https://www.teachengineering.org/lessons/view/umo_senso
rswork_lesson06
Figure2 - Anshar, Muh & Sadjad, R & Dewiani, Dewiani &
Hanan, M & Prayudha, Ryan & Abry, M. (2020). Design and
Implementation Monitoring and Booking Systems for Smart
Parking at Engineering Faculty Campus. IOP Conference
Series: Materials Science and Engineering. 875. 012036.
10.1088/1757-899X/875/1/012036. P3, Figure 2.
Figure3 – Texas Instruments, LM555 Timer, 10p, Figure.14
Astable
Figure4 – Texas Instruments, LM555 Timer, 11p, Figure 15.
Astable waveforms
Figure10 - https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/op-
amp-comparator.html
Figure11- https://www.electronics-tutorials.ws/opamp/op-
amp-comparator.html
Figure12 - Texas Instruments, SNx414 Hex Schemitt-Trigger
Inverters, 1983 – Revised 2016
Figure35 – MC14553B, On Semiconductor
Figure38 – 1N970, SEMTECH ELECTRONICS LTD.
10. REFERENCE

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