Czujnik parkowania oparty o układ NE555

[VoltCraft]

W tym artykule chciałbym przedstawić projekt czujnika odległości opartego o układ NE555 oraz kilka wzmacniaczy operacyjnych i elementy pasywne. Projekt ten miał posłużyć jako czujnik parkowania w garażu i informować kierowcę czy samochód nie jest już za blisko ściany, żeby w nią po prostu nie uderzyć.

Do wykonania tego układu zainspirował mnie jeden z kursów na uczelni, kiedy to jeszcze uczyłem się podstaw elektroniki, znalazłem kilka podobnych projektów, ale jak się okazało po głębszej analizie część z nich była tylko schematami teoretycznymi, które nie do końca miały prawo działać, a jeszcze inne nie spełniały założeń, które był postawione mojemu projektowi.

Gdy już miałem podstawową wiedzę jak mój układ miał działać oraz z jakich elementów miał się składać, przeszedłem do zasymulowania działania układu w programie LTspice. Dzięki tym symulacjom łatwiej było dobrać odpowiednie elementy elektroniczne oraz zobaczyłem czy ten układ w ogóle ma prawo działać. Poniżej załączam schemat z LTspice'a.

Układ elektroniczny składa się z dwóch głównych bloków: nadajnika i odbiornika. Nadajnik działa na zasadzie układu scalonego NE555, który służy jako generator impulsów diody podczerwonej, wartości rezystorów R17 i R16, oraz pojemność kondensatora C6 zostały dobrane tak aby częstotliwość migania diody była w przybliżeniu równa 120 Hz. Następnie impulsy świetlne emitowane przez diodę podczerwoną są odbijane od przeszkody i w kolejnym kroku odbierane przez fototranzystor. Gdy samochód będzie się coraz bardziej zbliżał do ściany tym większe natężenie światła dotrze do fototranzystora zmieniając oporność złącza emiter – baza wywołując przepływ prądu. Następnie prąd zostaje wzmocniony i powstaje prąd kolektora. W kolejnym kroku prąd ten przepływa przez rezystor R1 i kondensator filtrujący C2. Sygnał napięciowy następnie wzmacniany jest przez wzmacniacz różnicowy U7. Kondensator C1 i dioda D2 detekują pik napięcia i przekazują ten sygnał na komparatory napięcia, które następnie w zależności od odległości samochodu od przeszkody będą uruchamiać kolejne diody LED. Będzie się tak działo, ponieważ do ich wejścia nieodwracającego doprowadzone jest napięcie referencyjne odpowiadające danej odległości od przeszkody. 

W kolejnym kroku przeszedłem do wykonania projektu płytki PCB, tutaj wprowadziłem kilka zmian w początkowym schemacie, ponieważ po kilku iteracjach wykonanych płytek PCB miałem problem ze układem scalonym, w którym to były cztery wzmacniacze operacyjne, pojawiały się tam duże szumy albo w ogóle nie wzmacniał sygnału z fototranzystora. Koniec końców użyłem dwóch osobnych układów scalonych z pojedynczymi wzmacniaczami operacyjnymi i zrezygnowałem z trzech diod LED sygnalizujących odległość na korzyść jednej. Generalnie po wytrawieniu kilku tych płytek na koniec stwierdziłem, że dobrze będzie zmniejszyć rozmiar samej płytki i zminimalizować liczbę użytych elementów (mniej wiercenia i lutowania) jednocześnie zachowując funkcjonalność układu. Projekt PCB zrobiłem w programie Eagle, teraz ten program jest wciągnięty przez Fusion'a360. Schemat po modyfikacjach wyglądał następująco: 

Później przeszedłem do rozmieszczenia elementów na projekcie PCB, wtedy była to niezła mordęga, ale dzisiaj już po wykonaniu kilku projektów to jest mój ulubiony etap projektowania. Finalnie płytka z elementami i ścieżkami wyglądała następująco:

 

A po wytrawieniu, wywierceniu otworów i przylutowaniu elementów wyglądało to tak:

 

Tutaj zamieszczam listę użytych elementów:

[Oznaczenie | Komponent | Wartość | Obudowa]

• R1 Rezystor 10 kΩ 207
• R2 Rezystor 1 kΩ 207
• R3 Rezystor 100 Ω 207
• R4 Potencjometr 10 kΩ RKT6V-100
• R5 Potencjometr 10 kΩ RKT6V-100
• R6 Rezystor 1 kΩ 207
• R7 Rezystor 5 kΩ 207
• R8 Rezystor 1 MΩ 207
• R9 Potencjometr 10 kΩ RKT6V-100
• C1 Kondensator elektrolityczny 100 uF E5-8,5
• C2 Kondensator ceramiczny 10 nF c025-030X050
• C3 Kondensator elektrolityczny 1 uF E2-4
• C4 Kondensator ceramiczny 22 pF c025-030X050
• C5 Kondensator elektrolityczny 100 uF E5-8,5
• C6 Kondensator elektrolityczny 1 uF E2-4
• D1 Podczerwona dioda LED SFH482 - 5 mm
• D2 Dioda prostownicza 1N4148 - D035-7
• D3 Dioda prostownicza 1N4148 - D035-7
• D4 Dioda LED czerwona - 3 mm
• T1 Fototranzystor SFH303 - 3 mm
• IC1 Układ scalony NE555 - DIL-08
• IC2 Wzmacniacz operacyjny MCP601P - DIL-08
• IC3 Wzmacniacz operacyjny MCP601P - DIL-08

Gdy już układ był gotowy to przeszedłem do pomiarów. Jako zasilanie zastosowałem zasilacz laboratoryjny. Po uruchomieniu zasilania i odpowiednim ustawieniu czułości fototranzystora oraz diody sygnalizującej graniczną odległość od przeszkody okazało się że układ działa prawidłowo i można było przejść do wykonania pomiarów układu. Podczas wykonywania pomiarów układ był zasilany zasilaczem laboratoryjnym napięciem 5V. Do zbadania parametrów układu został wykorzystany oscyloskop Tektronix TDS 220. 

Testy jakie zostały wykonane to:

• Pomiar wyjścia TRIGGER układu NE555
• Pomiar napięcia referencyjnego na wejściu nieodwracającym komparatora napięciowego
• Pomiar napięcia na wejściu odwracającym wzmacniacza różnicowego, do którego podłączony jest fototranzystor, oraz napięcia na wyjściu tego wzmacniacza(pomiary wykonane dla przeszkody poza zasięgiem detekcji)
• Pomiary zmian napięcia docierającego na wejście odwracające komparatora napięcia w zależności od wykrytej lub nie wykrytej przeszkody.
• Pomiar częstotliwości migania podczerwonej diody nadawczej LED

Pomiar wyjścia TRIGGER układu NE555:

Pomiar odbywał się przez podłączenie sondy oscyloskopu do nóżki „2” układu NE555 a masa została podłączona do masy układu. Wyjście TRIGGER jest to wyjście wyzwalające, które po podaniu na nie napięcia niższego niż 1/3 napięcia zasilania następuję wyzwolenie układu, a na wyjściu pojawia się stan wysoki.

 

Pomiar napięcia referencyjnego na wejściu nieodwracającym komparatora napięciowego

Do wykonania pomiaru potrzebna była jedna sonda, którą podłączono do nóżki „3” wzmacniacza MCP601P a masę podłączono do masy układu. Jak widać na ekranie oscyloskopu: napięcie referencyjne na wejściu nieodwracającym wzmacniacza wynosi 4,2V.

 

Pomiar napięcia na wejściu odwracającym wzmacniacza różnicowego, do którego podłączony jest fototranzystor, oraz napięcia na wyjściu tego wzmacniacza(pomiary wykonane dla przeszkody poza zasięgiem detekcji)

Jak widać na sporządzonych pomiarach napięcie na wejściu nieodwracającym (kanał 2 oscyloskopu), do którego podłączony jest fototranzystor i wynosi on 440 mV, natomiast na wyjściu wzmacniacza obserwujemy napięcie równe 5V (kanał 1 oscyloskopu).

 

Pomiary zmian napięcia docierającego na wejście odwracające komparatora napięcia w zależności od wykrytej lub nie wykrytej przeszkody.

Pomiary te odbywały się w dwóch momentach, pierwszym był moment kiedy fototranzystor i dioda nadawcza nie były przykryte i nie docierało do fototranzystora odbite światło, oraz w drugim momencie kiedy to już sygnał z nadajnika został odbity od przeszkody i dotarł do fototranzystora.

Pomiar częstotliwości migania podczerwonej diody nadawczej LED

Do zmierzenia tego parametry wystarczyło podłączyć sondę oscyloskopu do wyjścia OUT układu NE555 a następnie odczytać z przebiegu częstotliwość jaką podawane są impulsy napięciowe na diodę LED. Jak widać na ekranie oscyloskopu częstotliwość migania diody wynosi około 137 Hz.

Dodatkowo wykonano pomiar poboru prądu przez układ czujnika parkowania wynosi on 6 mA dla przypadku kiedy do fototranzystora nie dociera odbite światło i dla drugiej sytuacji, gdy odbite od przeszkody światło dociera do fototranzystora i wtedy pobór prądu wynosi 22 mA.

 

Podsumowanie:

Wykonany projekt okazał się działać poprawnie, nie obyło się bez poprawek ale dzięki nim działa zgodnie z postawionymi na początku założeniami. Pomiary w programie Ltspice i te już na gotowym urządzeniu różnią się miedzy sobą, wynika to z tego, że w symulacji zastosowano inną wartość napięcia zasilania, zastosowano tam też inne wzmacniacze operacyjne, lecz jeśli chodzi o zasadę działania to wszystko działa tak samo. Niektóre wartości elementów układu również różnią się pomiędzy tymi dwoma pomiarami. Wpływ na uzyskiwane wyniki pomiarów miały też oczywiście różnego rodzaju błędy pomiarowe związane chociażby z rezystancją wewnętrzną przewodów, którymi pomiary były wykonywane. Należy również pamiętać o tym, że środowisko Ltspice przyjmuje do symulacji warunki bardzo optymalne, niemal idealne. W środowisku naturalnym bardzo ciężko jest uzyskać takie warunki. Podczas projektowania układu zwrócono uwagę na to, że jest jeszcze możliwość większej miniaturyzacji, aczkolwiek należałoby użyć elementów SMD. Dzięki nim płytka PCB mogłaby zmniejszyć swój wymiar nawet dwukrotnie. Myślę, że przy odpowiednej adaptacji projektu można go śmiało używać jako taki czujnik w garażu.

[Midas1249]

Bardzo ciekawie wykonany projekt, rozwiązanie jako element w garażu byłby dobrą opcją. Można by tylko pomyśleć o hermetycznej obudowie, aby uniknąć zawilgocenia.

[VoltCraft]

9 minut temu, Midas1249 napisał:

Bardzo ciekawie wykonany projekt, rozwiązanie jako element w garażu byłby dobrą opcją. Można by tylko pomyśleć o hermetycznej obudowie, aby uniknąć zawilgocenia.

Oczywiście, że obudowa przydałaby się, może kiedyś jak mnie natchnie to coś jeszcze podziałam z tym projektem i nie wykluczone że pojawi się obudowa.

[_LM_]

Szczególne uznanie za zaprojektowanie i wytrawienie własnej PCB , możesz pokazać zdjęcie strony miedzi? No i brak uP to też moim zdaniem na plus, uczymy się na klasykach elektroniki - nieśmiertelny 555 - a nie wszystko na jedno kopyto arduino i fajrant, czas na CS-a  Brawo!

[VoltCraft]

Dnia 3.01.2026 o 19:43, _LM_ napisał:

Szczególne uznanie za zaprojektowanie i wytrawienie własnej PCB , możesz pokazać zdjęcie strony miedzi? No i brak uP to też moim zdaniem na plus, uczymy się na klasykach elektroniki - nieśmiertelny 555 - a nie wszystko na jedno kopyto arduino i fajrant, czas na CS-a  Brawo!

Od strony ścieżek tak to wygląda:

Aktualnie brakuje jednego kondensatora i złącza ARK, posłużyły jako dawcy do kolejnego projektu.