Разработка миниатюрного ультразвукового дальномера с цифровым дисплеем на базе Arduino для проведения измерений расстояний от точки до точки

Актуальность

Дальномеры применяются в строительстве, в военной технике, в различных видах активного отдыха – охоте, туризме, игре в гольф, часто используются при создании роботов, в проектах автоматизации технологических объектов, в промышленности. Но наиболее широкое применение они нашли в сфере строительства и ремонта, а также в производстве мебели. Поэтому простой компактный дальномер будет всегда востребован.

Цель

Разработка миниатюрного ультразвукового дальномера с цифровым дисплеем на базе Arduino для проведения измерений расстояния от точки до точки.

Задачи

1. Изучить назначение и принцип работы датчиков и устройства.
2. Изучить основы программирования в Arduino IDE и платформу Arduino Nano.
3. Разработать и изготовить корпус для ультразвукового дальномера.
4. Разработать схему и собрать ультразвуковой дальномер.
5. Протестировать работоспособность ультразвукового дальномера.

Оснащение и оборудование, использованное при создании работы

• Ультразвуковой датчик HC-SR04
• Платформа Arduino Nano
• 4-разрядный 7-сегментный индикатор
• Батарейный отсек для трёх батарей типоразмера АА с контактными проводами
• Переключатель движковый SS12F15 G6 (3 контакта, 2 положения), набор гибких проводов DUPONT с разъёмами для штыревых контактов типа PLS
• Персональный компьютер с установленным на него ПО (КОМПАС-3D), была создана 3D-модель корпуса и крышки. Корпус имеет спереди два круглых отверстия для ультразвукового датчика HC-SR04. Также сбоку есть два прямоугольных выреза для включателя и переключателя режимов дальномера. Корпус распечатан на 3D-принтере

Описание

Ультразвуковой дальномер – прибор, измеряющий расстояние от точки до точки с применением технологии отражения ультразвуковых волн. Ультразвук – это звуковые колебания, не воспринимаемые человеческим слухом, частотой свыше 20кГц.

Ультразвуковой дальномер состоит из излучателя звука, приёмника, а также контроллера, который обрабатывает и отображает информацию. Своё начало история создания ультразвукового дальномера берёт в 1912 году, когда Р. Фессенденом был построен гидроакустический излучатель. Принцип его действия был аналогичным принципу действия современных ультразвуковых датчиков. С тех пор схемы построения дальномеров значительно упростились с появлением новых технологий.

На базе Arduino NANO был разработан и собран миниатюрный ультразвуковой дальномер для проведения измерений расстояний от точки до точки, а также разработана модель подходящего корпуса в программе КОМПАС-3D. Изучено назначение и устройство датчиков, получены основные сведения и основы программирования в Arduino IDE.

Результаты работы/выводы

Разработан и создан ультразвуковой дальномер. Его апробация проведена на следующих площадках: 

1. кафедра инженерной предпрофессиональной подготовки в лаборатории прототипирования и 3D-моделирования ГБОУ Школа № 1538;
2. XLVIII Международная молодёжная научная конференция «Гагаринские чтения», МАИ, 31.03.2022;
3. XXXI Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал», МЭИ, 11.02. 2022;
4. Московский городской конкурс проектов «Школа будущего-2022», ГБОУ ГМЦ ДОНМ, март, 2022 год;
5. Московский городской конкурс проектов «Юные техники и изобретатели-2022», ГБОУ ГМЦ ДОНМ, апрель 2022 год.

Перспективы использования результатов работы

Дальнейшее развитие проекта предусматривает создание лазерной указки, улучшение интерфейса; панируется улучшить технические характеристики устройства: подобрать комплектующие более высокого класса защиты от внешнего воздействия для обеспечения надёжной работы прибора, подобрать комплектующие меньшего размера для сокращения габаритов устройства.

Сотрудничество с вузом/учреждением при создании работы

ФГБОУ ВО «Московский авиационный институт (национальный исследовательский университет)»;

Акционерное общество «Московский машиностроительный завод «Авангард»

Награды/достижения

1. XLVIII Международная молодёжная научная конференция «Гагаринские чтения». Школьная сессия «Юный учёный» – участник;
2. XXXI Открытая московская инженерная конференция школьников «Потенциал» – победитель;
3. Городской конкурс проектов «Школа будущего – 2022» – победитель;
4. Городской конкурс проектов «Юные техники и изобретатели – 2022» – участник

Мнение автора

 «Проект предпрофессионального образования «Инженерный класс в московской школе» позволяет учащимся познакомиться с профессией инженера.

Открытая городская научно-практическая конференция «Инженеры будущего» – хорошая площадка для учащихся, где они могут довести результаты своей творческой работы от идеи до её реализации, продемонстрировать умение самостоятельно мыслить, способность приобретать новые знания. Хочется поблагодарить организаторов открытой городской научно-практической конференции «Инженеры будущего» за возможность представить свой проект, познакомиться с исследовательскими проектами школьников и найти тему своего будущего исследования»