Detaljeret oversigt over princippet om ultralydsafstandssensor og kredsløbsdesignet af ultralydsafstandstransduceren

På grund af ultralydsbølgernes stærke retningsbestemmelse, langsomt energiforbrug og lange afstande i mediet, bruges ultralydsbølger ofte til afstandsmåling. For eksempel kan ultralydsafstandsmålere og niveaumåleinstrumenter realiseres ved hjælp af ultralydsbølger. Ultralydstestning er ofte hurtig, praktisk, enkel at beregne, nem at opnå realtidsstyring og kan opfylde industrielle praktiske krav med hensyn til målenøjagtighed, så den har også været meget brugt i udviklingen af ​​mobile robotter. For at en mobil robot automatisk kan undgå forhindringer og gå, skal den være udstyret med et afstandsmålesystem, så den kan indhente afstandsoplysningerne (afstand og retning) fra forhindringen i tide. Det tre-vejs (forreste, venstre og højre) ultralydsafstandsmålesystem introduceret i denne artikel er at give en bevægelsesafstandsinformation, så robotten kan forstå sit forreste, venstre og højre miljø.

For det andet princippet om ultralyds afstandstransducer

1. Ultralydsgenerator

For at studere og bruge ultralyd er der designet og lavet mange ultralydsgeneratorer. Generelt kan ultralydsgeneratorer opdeles i to kategorier: den ene er til at generere ultralydsbølger elektrisk, og den anden er at generere ultralydsbølger mekanisk. Elektriske metoder omfatter piezoelektriske, magnetostriktive og elektriske osv.; mekaniske metoder omfatter fløjte, flydende fløjte og luftfløjte. Frekvensen, kraften og lydegenskaberne for de ultralydsbølger, de producerer, er forskellige, så deres anvendelser er også forskellige. På nuværende tidspunkt er den piezoelektriske ultralydsgenerator mere almindeligt anvendt.

2. Princippet om piezoelektrisk ultralydsgenerator

Den piezoelektriske ultralydsgenerator bruger faktisk resonansen fra en piezoelektrisk krystal til at fungere. Den interne struktur af ultralydsgeneratoren er vist. Den har to piezoelektriske wafere og en resonansplade. Når et pulssignal påføres dens to poler, hvis frekvens er lig med den piezoelektriske wafers naturlige oscillationsfrekvens, vil den piezoelektriske wafer give resonans og drive resonanspladen til at vibrere for at generere ultralydsbølger. Tværtimod, hvis der ikke påføres spænding mellem de to elektroder, når resonanspladen modtager ultralydsbølger, vil den presse den piezoelektriske chip til at vibrere og konvertere den mekaniske energi til elektriske signaler, og så bliver den en ultralydsmodtager.

3. Princippet om ultralydstransducer til afstandsmåling

Ultralydssenderen udsender ultralydsbølger i en bestemt retning og starter timingen samtidig med lanceringen. Ultralydsbølgerne forplanter sig i luften og vender straks tilbage, når de støder på forhindringer på vejen. Ultralydsmodtageren stopper timingen umiddelbart efter at have modtaget de reflekterede bølger. Udbredelseshastigheden af ​​ultralydsbølgen i luften er 340m/s. I henhold til tiden t registreret af timeren, kan afstanden mellem affyringspunktet og forhindringen(e) beregnes, nemlig: s=340t/2

Figur 1 Ultralydssensorstruktur

Dette er den såkaldte tidsdifferencemetode.

For det tredje kredsløbsdesignet af ultralydsafstandstransduceren

Karakteristikken for dette system er brugen af ​​en enkelt-chip mikrocomputer til at styre transmissionen af ​​ultralydsbølger og timingen af ​​rundrejsetiden for ultralydsbølger fra transmission til modtagelse. Single-chip-udvalget er økonomisk og nemt at bruge, og der er en 4K ROM on-chip til nem programmering. Det skematiske kredsløb er vist. Kun ledningsdiagrammet for det forreste afstandskredsløb er tegnet, og venstre og højre afstandskredsløb er det samme som det forreste afstandskredsløb.

1. 40kHz pulsgenerering og ultralydsemission

Ultralydssensoren i afstandsmålesystemet anvender den piezoelektriske keramiske sensor fra UCM40, og dens arbejdsspænding er et pulssignal på 40kHz, som genereres af single-chip-computeren, der udfører følgende program.

Indgangsterminalen på det forreste afstandskredsløb er forbundet til P1.0-porten på single-chip mikrocomputeren. Efter at single-chip mikrocomputeren udfører ovenstående program, udsender den et 40kHz pulssignal ved P1.0 porten, som forstærkes af transistoren T, driver ultralydssenderen UCM40T og udsender 40kHz pulserede ultralydsbølger. Og fortsæt med at sende 200ms. Indgangsenden af ​​højre og venstre afstandskredsløb er forbundet til henholdsvis P1.1- og P1.2-portene, og arbejdsprincippet er det samme som det forreste afstandskredsløb.

2. Ultralydsmodtagelse og behandling

Det modtagende hoved anvender UCM40R parret med sendehovedet, ultralydstransducersensor konverterer den ultralydsmodulerede puls til et vekselspændingssignal, som forstærkes af operationsforstærkerne IC1A og IC1B og derefter tilføjes til IC2. IC2 er en integreret lydafkodningsblok LM567 med en låst sløjfe. Centerfrekvensen af ​​den interne spændingsstyrede oscillator er f0=1/1.1R8C3, og kondensatoren C4 bestemmer dens låsebåndbredde. Justering af R8 på den transmitterende bærefrekvens, er LM567-indgangssignalet større end 25mV, og udgangsbenet 8 skifter fra højt niveau til lavt niveau, som bruges som et interrupt-anmodningssignal og sendes til mikrocontrolleren til behandling.

Udgangsterminalen på det forreste afstandskredsløb er forbundet til MCU INT0-porten, afbrydelsesprioriteten er den højeste, udgangen af venstre og højre afstandskredsløb er forbundet til MCU INT1-porten gennem udgangen af AND-porten IC3A, mens MCU P1.3 og P1.4 er forbundet til indgangen på IC3A. Til sidst håndteres afbrydelseskilden af afbrydelsen og afbrydelseskilden, og prioritet er højre først og derefter venstre.