نمای کلی از اصل سنسور محدوده اولتراسونیک و طراحی مدار مبدل محدوده اولتراسونیک

به دلیل جهت دهی قوی امواج اولتراسونیک، مصرف آهسته انرژی و فواصل طولانی در محیط، امواج اولتراسونیک اغلب برای اندازه گیری فاصله استفاده می شود. به عنوان مثال، فاصله یاب های اولتراسونیک و ابزارهای اندازه گیری سطح را می توان با امواج اولتراسونیک متوجه شد. آزمایش اولتراسونیک اغلب سریع، راحت، ساده برای محاسبه، آسان برای دستیابی به کنترل زمان واقعی است، و می تواند الزامات عملی صنعتی را از نظر دقت اندازه گیری برآورده کند، بنابراین به طور گسترده ای در توسعه ربات های متحرک استفاده شده است. برای اینکه یک ربات متحرک به طور خودکار از موانع دوری کند و راه برود، باید مجهز به سیستم اندازه گیری فاصله باشد تا بتواند اطلاعات فاصله (فاصله و جهت) از مانع را به موقع بدست آورد. سیستم اندازه گیری فاصله مافوق صوت سه جهته (جلو، چپ و راست) معرفی شده در این مقاله به منظور ارائه اطلاعات فاصله حرکتی برای ربات برای درک محیط جلو، چپ و راست خود است.

دوم، اصل از مبدل فاصله اولتراسونیک

1. ژنراتور اولتراسونیک

به منظور مطالعه و استفاده از سونوگرافی ژنراتورهای سونوگرافی زیادی طراحی و ساخته شده است. به طور کلی، ژنراتورهای اولتراسونیک را می توان به دو دسته تقسیم کرد: یکی تولید امواج اولتراسونیک به صورت الکتریکی و دیگری تولید امواج اولتراسونیک به صورت مکانیکی. روش های الکتریکی شامل پیزوالکتریک، مغناطیسی، و الکتریکی و غیره است. روش های مکانیکی شامل فلوت، سوت مایع و سوت هوایی است. فرکانس، قدرت و ویژگی های صوتی امواج اولتراسونیک که تولید می کنند متفاوت است، بنابراین کاربرد آنها نیز متفاوت است. در حال حاضر، ژنراتور اولتراسونیک پیزوالکتریک بیشتر مورد استفاده قرار می گیرد.

2. اصل ژنراتور اولتراسونیک پیزوالکتریک

ژنراتور اولتراسونیک پیزوالکتریک در واقع از تشدید یک کریستال پیزوالکتریک برای کار استفاده می کند. ساختار داخلی ژنراتور اولتراسونیک نشان داده شده است. دارای دو ویفر پیزوالکتریک و صفحه رزونانس است. هنگامی که یک سیگنال پالسی به دو قطب آن اعمال می شود که فرکانس آن برابر با فرکانس نوسان طبیعی ویفر پیزوالکتریک است، ویفر پیزوالکتریک طنین انداز می شود و صفحه تشدید را به سمت ارتعاش سوق می دهد تا امواج اولتراسونیک تولید کند. برعکس، اگر ولتاژی بین دو الکترود اعمال نشود، هنگامی که صفحه تشدید امواج مافوق صوت را دریافت می کند، تراشه پیزوالکتریک را فشار می دهد تا ارتعاش کند و انرژی مکانیکی را به سیگنال های الکتریکی تبدیل کند و سپس به گیرنده اولتراسونیک تبدیل می شود.

3. اصل از مبدل اولتراسونیک برای اندازه گیری فاصله

فرستنده اولتراسونیک امواج اولتراسونیک را در جهت خاصی ساطع می کند و همزمان با زمان پرتاب شروع به زمان بندی می کند. امواج مافوق صوت در هوا منتشر می شوند و با برخورد با موانع در راه بلافاصله برمی گردند. گیرنده اولتراسونیک بلافاصله پس از دریافت امواج منعکس شده زمان بندی را متوقف می کند. سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در هوا 340 متر بر ثانیه است. با توجه به زمان t ثبت شده توسط تایمر، فاصله بین نقطه پرتاب و مانع (s) قابل محاسبه است، یعنی: s=340t/2

شکل 1 ساختار سنسور اولتراسونیک

این روش به اصطلاح دامنه اختلاف زمانی است.

سوم، طراحی مدار مبدل محدوده اولتراسونیک

ویژگی این سیستم استفاده از میکرو کامپیوتر تک تراشه برای کنترل انتقال امواج مافوق صوت و زمان بندی زمان رفت و برگشت امواج اولتراسونیک از ارسال تا دریافت است. انتخاب تک تراشه مقرون به صرفه و استفاده آسان است و یک رام 4K روی تراشه برای برنامه نویسی آسان وجود دارد. نمودار شماتیک مدار نشان داده شده است. فقط نمودار سیم کشی مدار برد جلو رسم شده است و مدارهای برد چپ و راست همانند مدار برد جلو هستند.

1. تولید پالس 40 کیلوهرتز و انتشار اولتراسونیک

سنسور اولتراسونیک در سیستم اندازه‌گیری فاصله از سنسور سرامیکی پیزوالکتریک UCM40 استفاده می‌کند و ولتاژ کاری آن یک سیگنال پالسی 40 کیلوهرتز است که توسط کامپیوتر تک‌تراشه‌ای که برنامه زیر را اجرا می‌کند، تولید می‌شود.

ترمینال ورودی مدار برد جلو به پورت P1.0 میکروکامپیوتر تک تراشه متصل است. پس از اینکه میکروکامپیوتر تک تراشه برنامه فوق را اجرا کرد، یک سیگنال پالس 40 کیلوهرتز در پورت P1.0 که توسط ترانزیستور T تقویت می شود، فرستنده اولتراسونیک UCM40T را هدایت می کند و امواج اولتراسونیک پالسی 40 کیلوهرتز را ارسال می کند. و به ارسال 200 میلی‌ثانیه ادامه دهید. انتهای ورودی مدارهای برد سمت راست و چپ به ترتیب به پورت های P1.1 و P1.2 متصل می شوند و اصل کار مانند مدار برد جلویی است.

2. دریافت و پردازش اولتراسونیک

هد گیرنده از UCM40R جفت شده با سر فرستنده استفاده می کند. سنسور مبدل اولتراسونیک پالس مدوله شده اولتراسونیک را به یک سیگنال ولتاژ متناوب تبدیل می کند که توسط تقویت کننده های عملیاتی IC1A و IC1B تقویت شده و سپس به IC2 اضافه می شود. IC2 یک بلوک یکپارچه رمزگشایی صوتی LM567 با یک حلقه قفل شده است. فرکانس مرکزی اسیلاتور کنترل شده با ولتاژ داخلی f0=1/1.1R8C3 است و خازن C4 پهنای باند قفل آن را تعیین می کند. با تنظیم R8 بر روی فرکانس حامل فرستنده، سیگنال ورودی LM567 بیشتر از 25 میلی ولت است و پایه خروجی 8 از سطح بالا به سطح پایین تغییر می کند که به عنوان سیگنال درخواست وقفه استفاده می شود و برای پردازش به میکروکنترلر ارسال می شود.

ترمینال خروجی مدار برد جلو به پورت MCU INT0 وصل می شود، اولویت وقفه بالاترین است، خروجی مدار محدوده چپ و راست از طریق خروجی دروازه AND IC3A به پورت MCU INT1 متصل می شود، در حالی که MCU P1.3 و P1.4 به ورودی IC3A وصل می شوند، در انتها منبع وقفه توسط منبع IC3A وصل می شود. اولویت وقفه ابتدا سمت راست و سپس چپ است.