نظرة عامة تفصيلية على مبدأ مستشعر المدى بالموجات فوق الصوتية وتصميم الدائرة لمحول طاقة المدى بالموجات فوق الصوتية

نظرًا للاتجاه القوي للموجات فوق الصوتية، وبطء استهلاك الطاقة، والمسافات الطويلة في الوسط، غالبًا ما تستخدم الموجات فوق الصوتية لقياس المسافة. على سبيل المثال، يمكن تحقيق أجهزة تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية وأدوات قياس المستوى بواسطة الموجات فوق الصوتية. غالبًا ما يكون الاختبار بالموجات فوق الصوتية سريعًا ومريحًا وبسيطًا في الحساب وسهل التحكم في الوقت الفعلي ويمكن أن يلبي المتطلبات العملية الصناعية من حيث دقة القياس، لذلك تم استخدامه أيضًا على نطاق واسع في تطوير الروبوتات المتنقلة. لكي يتمكن الروبوت المتنقل من تجنب العوائق والمشي تلقائيًا، يجب أن يكون مزودًا بنظام قياس المسافة حتى يتمكن من الحصول على معلومات المسافة (المسافة والاتجاه) من العائق في الوقت المناسب. يهدف نظام قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية ثلاثي الاتجاهات (الأمامي واليسار واليمين) الذي تم تقديمه في هذه المقالة إلى توفير معلومات عن مسافة الحركة للروبوت لفهم بيئته الأمامية واليسرى واليمنى.

ثانيا مبدأ محول المسافة بالموجات فوق الصوتية

1. مولد بالموجات فوق الصوتية

من أجل دراسة واستخدام الموجات فوق الصوتية، تم تصميم وتصنيع العديد من مولدات الموجات فوق الصوتية. بشكل عام، يمكن تقسيم مولدات الموجات فوق الصوتية إلى فئتين: إحداهما لتوليد موجات فوق صوتية كهربائيًا، والأخرى لتوليد موجات فوق صوتية ميكانيكيًا. تشمل الطرق الكهربائية الكهروضغطية، والتضييق المغناطيسي، والكهربائية، وما إلى ذلك؛ تشمل الطرق الميكانيكية الفلوت وصافرة السائل وصافرة الهواء. يختلف التردد والطاقة والخصائص الصوتية للموجات فوق الصوتية التي تنتجها، وبالتالي فإن استخداماتها مختلفة أيضًا. في الوقت الحاضر، يتم استخدام مولد الموجات فوق الصوتية الكهرضغطية بشكل أكثر شيوعا.

2. مبدأ مولد الموجات فوق الصوتية الكهرضغطية

يستخدم مولد الموجات فوق الصوتية الكهرضغطية في الواقع رنين البلورة الكهرضغطية للعمل. يظهر الهيكل الداخلي لمولد الموجات فوق الصوتية. تحتوي على رقاقتين كهرضغطية ولوحة رنين. عندما يتم تطبيق إشارة نبضية على قطبيها، حيث يكون ترددها مساويًا لتردد التذبذب الطبيعي للرقاقة الكهرضغطية، فإن الرقاقة الكهرضغطية سوف يتردد صداها وتدفع لوحة الرنين إلى الاهتزاز لتوليد موجات فوق صوتية. على العكس من ذلك، إذا لم يتم تطبيق أي جهد بين القطبين الكهربائيين، فعندما تستقبل لوحة الرنين الموجات فوق الصوتية، فإنها ستضغط على الشريحة الكهرضغطية لتهتز وتحول الطاقة الميكانيكية إلى إشارات كهربائية، وبعد ذلك ستصبح جهاز استقبال بالموجات فوق الصوتية.

3. مبدأ محول بالموجات فوق الصوتية لقياس المسافة

يصدر جهاز الإرسال بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية في اتجاه معين ويبدأ التوقيت في نفس وقت الإطلاق. تنتشر الموجات فوق الصوتية في الهواء وتعود فورًا عند مواجهة عوائق في الطريق. يتوقف جهاز الاستقبال بالموجات فوق الصوتية عن التوقيت فورًا بعد تلقي الموجات المنعكسة. سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء هي 340 م / ث. من خلال الزمن t الذي سجله التايمر يمكن حساب المسافة بين نقطة الانطلاق والعائق (العوائق) وهي: s=340t/2

الشكل 1: هيكل جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية

وهذا ما يسمى بطريقة تحديد فرق التوقيت.

ثالثا، تصميم الدائرة لمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية

ومن مميزات هذا النظام استخدام حاسوب صغير ذو شريحة واحدة للتحكم في نقل الموجات فوق الصوتية وتوقيت زمن ذهاب وعودة الموجات فوق الصوتية من الإرسال إلى الاستقبال. يعد اختيار الشريحة الواحدة اقتصاديًا وسهل الاستخدام، ويوجد ذاكرة قراءة فقط بدقة 4K على الشريحة لسهولة البرمجة. يظهر الرسم التخطيطي للدائرة. يتم رسم مخطط الأسلاك لدائرة النطاق الأمامي فقط، ودوائر النطاق اليسرى واليمنى هي نفس دائرة النطاق الأمامي.

1. توليد نبض 40 كيلو هرتز وانبعاث الموجات فوق الصوتية

يعتمد المستشعر بالموجات فوق الصوتية في نظام قياس المسافة مستشعر السيراميك الكهرضغطي UCM40، وجهد العمل الخاص به عبارة عن إشارة نبضية تبلغ 40 كيلو هرتز، والتي يتم إنشاؤها بواسطة كمبيوتر أحادي الشريحة ينفذ البرنامج التالي.

يتم توصيل محطة الإدخال الخاصة بدائرة المدى الأمامي بمنفذ P1.0 للكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة. بعد أن ينفذ الكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة البرنامج أعلاه، فإنه يخرج إشارة نبضية بتردد 40 كيلو هرتز في منفذ P1.0، والتي يتم تضخيمها بواسطة الترانزستور T، ويقوم بتشغيل جهاز الإرسال بالموجات فوق الصوتية UCM40T، ويرسل موجات فوق صوتية نابضة بتردد 40 كيلو هرتز. والاستمرار في نقل 200ms. يتم توصيل طرفي الإدخال لدوائر النطاق اليمنى واليسرى بمنفذي P1.1 وP1.2 على التوالي، ومبدأ العمل هو نفس مبدأ دائرة المدى الأمامي.

2. الاستقبال والمعالجة بالموجات فوق الصوتية

يعتمد رأس الاستقبال UCM40R المقترن برأس الإرسال، يقوم مستشعر محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية بتحويل النبضة المعدلة بالموجات فوق الصوتية إلى إشارة جهد متناوب، والتي يتم تضخيمها بواسطة مكبرات الصوت التشغيلية IC1A وIC1B ثم يتم إضافتها إلى IC2. IC2 عبارة عن كتلة متكاملة لفك تشفير الصوت LM567 مع حلقة مقفلة. التردد المركزي للمذبذب الداخلي الذي يتم التحكم فيه بالجهد هو f0=1/1.1R8C3، ويحدد المكثف C4 عرض نطاق القفل الخاص به. ضبط R8 على تردد حامل الإرسال، تكون إشارة الإدخال LM567 أكبر من 25 مللي فولت، ويتغير طرف الإخراج 8 من المستوى العالي إلى المستوى المنخفض، والذي يستخدم كإشارة طلب مقاطعة ويتم إرساله إلى وحدة التحكم الدقيقة للمعالجة.

يتم توصيل محطة الإخراج لدائرة النطاق الأمامية بمنفذ MCU INT0، وأولوية المقاطعة هي الأعلى، ويتم توصيل إخراج دائرة النطاق اليسرى واليمنى بمنفذ MCU INT1 من خلال إخراج بوابة AND IC3A، بينما يتم توصيل MCU P1.3 وP1.4 بمدخل IC3A في النهاية، تتم معالجة تحديد مصدر المقاطعة من خلال استعلام البرنامج، وتكون أولوية المقاطعة لليمين أولاً ثم لليسار.