خطة إنتاج جهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية

يعتمد محدد المدى بالموجات فوق الصوتية دائرة NE555 ودائرة مضخم الصوت على مرحلتين ودائرة مقارنة المستوى لتحقيق نقل واستقبال الموجات فوق الصوتية. المقارنة هي الوحدة الأساسية لجهاز تحديد المدى، والتي تحقق التحكم في دائرة الإرسال ومعالجة البيانات المستلمة. يتمتع هذا النظام بقيمة عملية قوية وآفاق سوقية جيدة.

§ الخطة الشاملة

1.1 البدائل

الحل 1: يستخدم جهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية وحدات منفصلة

يتضمن النظام خمسة أجزاء: وحدة قياس المسافة بالموجات فوق الصوتية، ووحدة العرض الرقمي LED، ووحدة التحكم في وحدة القيادة، وإمدادات الطاقة.

يتكون مستشعر وحدة النطاق بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي من جزء الإرسال وجزء الاستقبال. يتم التحكم في نقل محول صغير بالموجات فوق الصوتية بواسطة وحدة التحكم الرئيسية (كما هو موضح في الشكل 1)؛ يتردد محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية بتردد 40 كيلو هرتز، وتحتوي الوحدة على دائرة توليد موجة مربعة 40 كيلو هرتز.

وحدة العرض عبارة عن شاشة LCD رقمية مكونة من 8 أرقام؛ يستخدم عرض نتيجة القياس رمز حقل مكون من ثلاثة أرقام، والتنسيق هو X نقطة XX متر، ويتم استخدام رمز المقطع المكون من رقمين لعرض عدد البيانات.

يعتمد مصدر الطاقة على مدخلات طاقة 9 فولت تيار مستمر. بعد أنبوب منظم الجهد، يتم استخدام مصادر الطاقة 5V و3.3V لأجزاء مختلفة من النظام.

الشكل 1: هيكل جهاز استشعار المدى بالموجات فوق الصوتية

المخطط 2: مقياس المسافة بالموجات فوق الصوتية المعتمد على المتحكم الدقيق PIC16F876A.

يعتمد محدد المدى بالموجات فوق الصوتية بشكل أساسي على الكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة PIC16F876A. يستخدم جهاز الإرسال الخاص به رنين البلورة الكهرضغطية لدفع الهواء المحيط ليهتز للعمل. يرسل جهاز الإرسال بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية في اتجاه معين، ويبدأ التوقيت في نفس الوقت الذي تكون فيه الموجات فوق الصوتية في الهواء. الانتشار، سيعود فورًا عندما يواجه عقبة في الطريق، وسيتوقف جهاز الاستقبال بالموجات فوق الصوتية عن التوقيت عندما يستقبل الموجة المنعكسة. في ظل الظروف العادية، تبلغ سرعة انتشار الموجات فوق الصوتية في الهواء 340 م / ث. وفقًا للوقت الذي سجله المؤقت، يمكن حساب المسافات بين نقطة الإطلاق والعائق، أي s=340&TImes;t/2، وهي طريقة شائعة الاستخدام لقياس المسافة.

في تصميم دائرة العد المدى، يتم اعتماد طريقة العد ذات الصلة. المبدأ الرئيسي لمستشعر محول الطاقة بالموجات فوق الصوتية هو أن نظام الحواسيب الصغيرة أحادي الشريحة يوفر أولاً إشارات نبضية لدائرة الإرسال أثناء القياس، ويكون عداد الشريحة الواحدة في حالة الانتظار ولا يتم احتسابه؛ عندما يتم إرسال الإشارة لفترة من الوقت، يرسل الكمبيوتر الصغير ذو الشريحة الواحدة الإشارة مما يتسبب في قيام النظام بإيقاف إشارة الإرسال، ويبدأ العداد في العد لتحقيق التزامن في البداية؛ عندما تصل آخر نبضة من الإشارة المستقبلة، يتوقف العداد عن العد.

يتكون نظام محدد المدى بالموجات فوق الصوتية ثنائي الاتجاه بشكل أساسي من عدة أجزاء (كما هو موضح في الشكل 2): وحدة العرض LED، ورقاقة PIC16F876A، ووحدة الإرسال بالموجات فوق الصوتية، ووحدة الاستقبال بالموجات فوق الصوتية، ووحدة الطاقة وخمس وحدات أخرى.

الشكل 2: رسم تخطيطي شامل لتصميم النظام

1.2 اختيار المخطط

 نظرًا لأن تصميم محول الهواء بالموجات فوق الصوتية هذا عبارة عن تصميم دائرة تناظرية رقمية، وبالنظر إلى أن برمجة MCU ليست مألوفة لأعضاء الفريق، فإن تصحيح الأخطاء سيواجه صعوبات أكبر. تم تصميم دوائر المخطط 1 من أجل المعرفة التي تم تعلمها، وكانت المبادئ مألوفة نسبيًا، لذلك تم اعتماد المخطط 1 مع دوائر الأجهزة الأكثر تعقيدًا.

§ التصميم والتنفيذ

يعتمد جهاز تحديد المدى بالموجات فوق الصوتية على خصائص الموجات فوق الصوتية المنعكسة عند مواجهة العوائق. يرسل جهاز الإرسال بالموجات فوق الصوتية موجات فوق صوتية في اتجاه معين، ويبدأ التوقيت في نفس وقت الإرسال. تنتشر الموجات فوق الصوتية في الهواء وتعود فورًا عند مواجهة عوائق في الطريق. يقوم جهاز الاستقبال بالموجات فوق الصوتية بمقاطعة التوقيت وإيقافه فورًا عند استقبال الموجات المنعكسة. من خلال الكشف المستمر عن الأصداء المنعكسة عن العوائق التي تمت مواجهتها بعد انبعاث الموجة المتولدة، يتم قياس الفارق الزمني T بين الموجات فوق الصوتية المرسلة والصدى المستقبل، ومن ثم يتم الحصول على المسافة L. صيغة النطاق الأساسية هي: L=(△t/2)*C

حيث L هي المسافة المراد قياسها

T —— الفاصل الزمني بين الموجة المرسلة والموجة المنعكسة

ج —— سرعة صوت الموجات فوق الصوتية في الهواء، والتي تبلغ 340 م / ث في درجة حرارة الغرفة

بعد تحديد سرعة الصوت، يمكن الحصول على L طالما تم قياس زمن الرحلة ذهابًا وإيابًا للموجة فوق الصوتية.

2.1 مبدأ النطاق بالموجات فوق الصوتية

2.1.1 جزء الإطلاق

الشكل 3: يتكون مخطط هيكل انبعاث الموجات فوق الصوتية من دائرتين متكاملتين 555. IC1 (555) يشكل مولد إشارة النبض بالموجات فوق الصوتية، وصيغة حساب دورة العمل هي كما يلي، سيكون هناك بعض الاختلافات في الدائرة الفعلية بسبب أخطاء مثل المكونات.

الشروط: RA = 9.1MΩ، RB = 150KΩ، C = 0.01μF

TL = 0.69 × RB × C = 0.69 × 150 × 103 × 0.01 × 10-6 = 1 مللي ثانية

ث = 0.69 × (RA + RB) × C = 0.69 × 9250 × 103 × 0.01 × 10-6 = 64 مللي ثانية

يشكل IC2 مولد إشارة حامل بالموجات فوق الصوتية. يتم التحكم فيه عن طريق إخراج إشارة النبض بواسطة IC1، وينتج نبضة تبلغ 1 مللي ثانية بتردد 40 كيلو هرتز، ودورة تشغيل تبلغ 50%، وتوقف لمدة 64 مللي ثانية. تحسب على النحو التالي:

الشروط: RA = 1.5KΩ، RB = 15KΩ، C = 1000pF

TL = 0.69 × RB × C = 0.69 × 15 × 103 × 1000 × 10-12 = 10 ميكروثانية

ث = 0.69 × (RA + RB) × C = 0.69 × 16.5 × 103 × 1000 × 10-12 = 11 ميكروثانية

F = 1/(TL + TH) = 1/((10.35 + 11.39) × 10-6) = 46.0 كيلو هرتز

يتكون IC3 (CD4069) من دائرة محرك رأس الإرسال بالموجات فوق الصوتية.