كيفية تصميم نظام قياس المدى بالموجات فوق الصوتية

يستخدم محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية بشكل رئيسي في مجال قياس عدم الاتصال. في الوقت الحاضر، يصعب استخدام نظام الموجات فوق الصوتية الخاص لقياس المسافة على نطاق واسع في بعض التطبيقات الصغيرة والمتوسطة الحجم بسبب التكلفة العالية. مع تطور ذكاء السيارات، من الضروري تطوير أجهزة استشعار جديدة بالموجات فوق الصوتية يمكنها قياس المسافة بدقة أعلى وبتكلفة منخفضة. ومع ذلك، نظرًا لمتطلبات الدقة العالية، فإن مستشعر الموجات فوق الصوتية التقليدي لديه هيكل معقد ولا يمكن تعديله تلقائيًا وفقًا لبيئات مختلفة، وهو ما يتميز بتكلفة عالية وضعف القدرة على التكيف. تقدم هذه المقالة تطوير محول طاقة لجهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية بشاشة رقمية منخفضة التكلفة وعالية الدقة مع كمبيوتر صغير أحادي الشريحة at89c2051 باعتباره جوهرًا. نظرًا لأن جهاز الاستشعار بالموجات فوق الصوتية هذا يمكنه اختبار درجة الحرارة المحيطة وضبط نفسه، فإن أداء التكلفة أفضل من بعض المنتجات المماثلة الموجودة. يمكن استخدام هذا المستشعر بالموجات فوق الصوتية في نطاق درجة الحرارة من 0 درجة مئوية إلى 40 درجة مئوية، ويتراوح من 0.1 متر إلى 0.3 متر، بدقة 1 مم، لذلك يمكن استخدامه في بعض المناسبات الخاصة، مثل مواقف الخدمة الذاتية، والتعليق الذكي وتعديل المصابيح الأمامية، إلخ.

تصميم الأجهزة لمحول قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية

يظهر مبدأ العمل لمحول الطاقة بالموجات فوق الصوتية الفولاذ المقاوم للصدأ في الشكل 1. يتكون النظام من حاسوب صغير أحادي الشريحة AT89C2051، ناقل حركة بالموجات فوق الصوتية، دائرة مضخم الاستقبال، دائرة اكتساب درجة الحرارة المحيطة ودائرة العرض. AT89C205l MCU هو المكون الأساسي للنظام بأكمله، حيث يقوم بتنسيق عمل كل مكون. يولد مصدر التذبذب الذي يتحكم فيه الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة إشارة تردد تبلغ 40 كيلو هرتز لتشغيل مستشعر الموجات فوق الصوتية. يحتوي كل إرسال على 10 نبضات. بعد إرسال أول نبضة بالموجات فوق الصوتية، يبدأ العداد في العد. في اللحظة التي يتم فيها اكتشاف نبضة الصدى الأولى، يتوقف العداد عن العد، بحيث يمكن الحصول على الوقت △t من الإرسال إلى الاستقبال؛ ترسل دائرة الحصول على درجة الحرارة أيضًا مجموعة بيانات درجة الحرارة المحيطة إلى الكمبيوتر الصغير أحادي الشريحة لتوفير تصحيح سرعة الانتشار بالموجات فوق الصوتية عند حساب المسافة. وأخيرًا، يستخدم الكمبيوتر ذو الشريحة الواحدة الصيغة لحساب مسافة القياس، والتي يتم عرضها على الشاشة. يتم توصيل المنافذ التسلسلية RXD وTXD للحاسوب الصغير ذو الشريحة الواحدة على التوالي بـ RXD وTXD لدائرة العرض لتشكيل دائرة عرض ثابتة تسلسلية؛ يتم توصيل الموقت/العداد T0 بمخرج محول V/F لتحقيق وظيفة الحصول على التردد؛ ص1. 7 متصل بنهاية التحكم في الهزاز المتعدد CMOS، من خلال البرنامج لجعل إخراج منفذ P1.7 عاليًا أو منخفضًا، وبالتالي التحكم في نقل الموجات فوق الصوتية؛ يتم التحكم في P1.6 بواسطة صمام ثنائي التبديل IN4l48 ويتم توصيل دائرة توليد الجهد المرجعي للمحطة LM324 للمقارنة، اضبط P1.6 على '1' عند إرسال الموجات فوق الصوتية، يمكن لمستوى الإخراج قمع التقليب للمقارنة، والذي يمكن أن يمنع بشكل فعال الموجات فوق الصوتية المنبعثة من جهاز الإرسال لتشع مباشرة إلى جهاز الاستقبال وتتسبب في اكتشاف خاطئ؛ بعد انتهاء الإرسال، يتم ضبط P1.6 على '0'، في هذا الوقت، عن طريق مسح P1.2 121 المتصل بمخرج المقارنة، وفقًا لحالة إدخال منفذ P1.2 لتحديد ما إذا كان سيتم استقبال الصدى. يتم إنتاج دائرة القيادة والانبعاث بالموجات فوق الصوتية بواسطة مذبذب RC المكون من CD4011، ويعتمد مستشعر درجة الحرارة AD590.

قياس الوقت

تبلغ فترة إشارة الموجات فوق الصوتية المستخدمة في قياس الوقت 25 ميكروثانية، ولكن يلزم وجود مصدر إشارة فوق صوتية يعادل طول موجة يبلغ حوالي 9 مم عند 20 درجة مئوية. ولضمان الدقة، يلزم وجود كاشف للطول الموجي. يتكون مصدر الإشارة بالموجات فوق الصوتية من مولد إشارة ودائرة كاشف صفرية. يتكون مولد الإشارة العشوائية من EPROM سعة 16 كيلو بايت يمكنه تخزين أشكال موجية عشوائية، وعداد 16 بت لمسح EPROM، وDAC. يتكون كاشف التقاطع الصفري من كاشف قيمة العتبة. تعد قيمة عتبة الكاشف جزءًا من القيمة القصوى للإشارة المستقبلة، بحيث يمكن للكاشف مقارنة الإشارة المستقبلة وفقًا لاحتمال الصفر المرجعي. وهذا يسمح باكتشاف الإشارة في منطقة الإشارة إلى أقصى حد، وبالتالي تقليل تداخل الضوضاء.

تعتمد النتيجة المثالية بشكل أساسي على سعة الصدى المحدد. كلما انخفض الصدى، انخفضت السعة، وقلت إمكانية التداخل من خلال سعة الضوضاء ذات الصلة. تعتمد أفضل إشارة يمكن استخدامها تحت أي ظرف من الظروف على المقدار الفعلي للضوضاء. يحتوي مستشعر الموجات فوق الصوتية أيضًا على نظام بسيط لقياس الضوضاء. يمكن للنظام تقدير الضوضاء الفعلية من خلال مراقبة إشارة الدخل أثناء مرحلة عدم الصدى. يمكن تحويل مخرجات نظام قياس الضوضاء هذا في ظل ظروف الضوضاء المنخفضة والمتوسطة والعالية.

مستشعر درجة الحرارة والتعويض التلقائي عن الأخطاء

يتم الكشف عن درجة حرارة الهواء بواسطة جهاز استشعار درجة الحرارة ومعالجتها بواسطة الدائرة. تم تثبيته في المسبار، الخطأ لا يتجاوز 1 درجة مئوية. يمكن استخلاص التعويض التلقائي للخطأ من الدائرة التناظرية البسيطة الموضحة في الشكل 2. تتناسب V مع المسافة المقاسة.

أفكار تصميم البرمجيات
لأن مستشعر الإرسال بالموجات فوق الصوتية قريب جدًا من مستشعر الاستقبال بالموجات فوق الصوتية، عند إرسال الموجات فوق الصوتية، سيتلقى مستشعر الموجات فوق الصوتية المتلقي إشارة تدخل قوية. من أجل منع النظام من الاكتشاف الخاطئ، تم اعتماد تقنية استقبال التأخير في البرنامج لتحسين قدرة النظام على مقاومة التداخل. عند الضغط على زر البداية، يتم إرسال أمر نقل الموجات فوق الصوتية، ويبدأ نظام التحكم في تنفيذ البرنامج لإكمال جمع درجة الحرارة؛ يتم قياس الفاصل الزمني لإرسال واستقبال الموجات فوق الصوتية. وأخيراً يتم حساب المسافة المقاسة بواسطة برنامج المعالجة الرقمية وإرسالها إلى شاشة العرض لعرضها. يعتمد برنامج النظام تصميمًا معياريًا، يتكون من وحدات رئيسية مثل البرنامج الرئيسي والبرنامج الفرعي لقياس المسافة والبرنامج الفرعي لقياس درجة الحرارة والبرنامج الفرعي للعرض. يظهر الرسم التخطيطي الرئيسي للبرنامج في .