طرح تولید مسافت یاب اولتراسونیک

فاصله یاب اولتراسونیک مدار NE555، مدار تقویت کننده دو مرحله ای و مدار مقایسه سطح را برای تحقق انتقال و دریافت امواج اولتراسونیک اتخاذ می کند. مقایسه کننده واحد مرکزی فاصله یاب است که کنترل مدار فرستنده و پردازش داده های دریافتی را انجام می دهد. این سیستم دارای ارزش عملی قوی و چشم انداز خوب بازار است.

一 طرح کلی

1.1 گزینه های جایگزین

راه حل 1: فاصله یاب اولتراسونیک از ماژول های مجزا استفاده می کند

این سیستم شامل پنج بخش است: ماژول اندازه گیری فاصله اولتراسونیک، ماژول نمایش دیجیتال LED، ماژول کنترل ماژول درایو و منبع تغذیه.

سنسور ماژول محدوده التراسونیک عمدتاً از قسمت انتقال دهنده و بخش دریافت کننده تشکیل شده است. انتقال مبدل اولتراسونیک کوچک توسط کنترل کننده اصلی کنترل می شود (همانطور که در شکل 1 نشان داده شده است). مبدل اولتراسونیک در فرکانس 40 کیلوهرتز طنین انداز می شود و ماژول دارای مدار تولید موج مربعی با فرکانس 40 کیلوهرتز است.

ماژول نمایشگر یک صفحه نمایش دیجیتال 8 رقمی LCD است. صفحه نمایش نتیجه اندازه گیری از یک کد فیلد سه رقمی استفاده می کند، فرمت آن X نقاط XX متر است و یک کد قطعه دو رقمی برای نمایش تعداد داده ها استفاده می شود.

منبع تغذیه از ورودی برق 9 ولت DC استفاده می کند. پس از لوله تنظیم کننده ولتاژ، برای قسمت های مختلف سیستم از منابع تغذیه 5 ولت و 3.3 ولت استفاده می شود.

شکل 1 ساختار سنسور محدوده اولتراسونیک

طرح 2: فاصله سنج اولتراسونیک بر اساس میکروکنترلر PIC16F876A.

مسافت یاب اولتراسونیک عمدتاً مبتنی بر ریز کامپیوتر تک تراشه PIC16F876A است. فرستنده آن از تشدید کریستال پیزوالکتریک استفاده می کند تا هوای اطراف را به سمت ارتعاش هدایت کند تا کار کند. فرستنده اولتراسونیک امواج اولتراسونیک را در جهت خاصی ساطع می کند و همزمان با قرار گرفتن امواج اولتراسونیک در هوا شروع به زمان بندی می کند. انتشار، هنگامی که در راه با مانعی روبرو می شود بلافاصله برمی گردد و گیرنده اولتراسونیک با دریافت موج بازتاب شده زمان بندی را متوقف می کند. در شرایط عادی، سرعت انتشار امواج اولتراسونیک در هوا 340 متر بر ثانیه است. با توجه به زمان t ثبت شده توسط تایمر، فواصل بین نقطه پرتاب و مانع را می توان محاسبه کرد، یعنی s=340&TImes;t/2، که معمولاً از روش اختلاف زمانی برای اندازه گیری فاصله استفاده می شود.

در طراحی مدار شمارش دامنه، روش شمارش مربوطه اتخاذ شده است. اصل اصلی سنسور مبدل اولتراسونیک این است که سیستم میکروکامپیوتری تک تراشه ابتدا سیگنال های پالس را در طول اندازه گیری به مدار فرستنده ارائه می دهد و شمارنده تک تراشه در حالت انتظار است و به حساب نمی آید. هنگامی که سیگنال برای یک دوره زمانی مخابره می شود، میکروکامپیوتر تک تراشه سیگنال را ارسال می کند و باعث می شود سیستم سیگنال ارسال کننده را خاموش کند و شمارنده شروع به شمارش برای رسیدن به همگام سازی در ابتدا می کند. هنگامی که آخرین پالس سیگنال دریافتی می رسد، شمارنده شمارش را متوقف می کند.

سیستم فاصله یاب اولتراسونیک دو طرفه عمدتاً از چندین بخش تشکیل شده است (همانطور که در شکل 2 نشان داده شده است): ماژول صفحه نمایش LED، تراشه PIC16F876A، ماژول فرستنده اولتراسونیک، ماژول گیرنده اولتراسونیک، ماژول قدرت و پنج ماژول دیگر.

شکل 2 بلوک دیاگرام کلی طراحی سیستم

1.2 انتخاب طرح

 از آنجایی که طراحی این مبدل هوای اولتراسونیک طراحی مدار دیجیتال آنالوگ است و با توجه به اینکه برنامه نویسی MCU برای اعضای تیم آشنا نیست، اشکال زدایی با مشکلات بیشتری مواجه خواهد شد. مدارهای طرح 1 برای دانش آموخته شده ساخته شده اند، و اصول نسبتاً آشنا هستند، بنابراین طرح 1 با مدارهای سخت افزاری پیچیده تر اتخاذ شده است.

طراحی و اجرا

محدوده یاب اولتراسونیک بر اساس ویژگی‌های امواج اولتراسونیک است که هنگام برخورد با موانع به عقب بازتاب می‌شوند. فرستنده اولتراسونیک امواج مافوق صوت را در جهت خاصی ساطع می کند و همزمان با ارسال 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 با دریافت امواج منعکس شده بلافاصله زمان بندی را قطع کرده و متوقف می کند. با تشخیص مداوم پژواک های منعکس شده توسط موانعی که پس از انتشار موج تولید شده با آن مواجه می شوند، اختلاف زمانی T بین موج اولتراسونیک ارسالی و اکو دریافتی اندازه گیری می شود و سپس فاصله L به دست می آید. فرمول اصلی محدوده: L=(△t/2)*C

جایی که L فاصله ای است که باید اندازه گیری شود

T—فاصله زمانی بین موج ارسالی و موج منعکس شده است

ج--سرعت صدای اولتراسوند در هوا که در دمای اتاق 340 متر بر ثانیه است.

پس از تعیین سرعت صوت، تا زمانی که زمان رفت و برگشت موج اولتراسونیک اندازه گیری شود، می توان L را به دست آورد.

2.1 اصل محدوده التراسونیک

2.1.1 بخش راه اندازی

شکل 3 نمودار ساختار انتشار اولتراسونیک از دو مدار مجتمع 555 تشکیل شده است. IC1 (555) مولد سیگنال پالس اولتراسونیک را تشکیل می دهد، فرمول محاسبه چرخه کاری به شرح زیر است، به دلیل خطاهایی مانند اجزاء، تفاوت هایی در مدار واقعی وجود خواهد داشت.

شرایط: RA =9.1MΩ، RB=150KΩ، C=0.01μF

TL = 0.69 x RB x C = 0.69 x 150 x 103 x 0.01 x 10-6 = 1 میلی‌ثانیه

TH = 0.69 x (RA + RB) x C = 0.69 x 9250 x 103 x 0.01 x 10-6 = 64 میلی‌ثانیه

IC2 یک ژنراتور سیگنال حامل اولتراسونیک را تشکیل می دهد. توسط سیگنال پالس خروجی توسط IC1 کنترل می شود، یک پالس 1 میلی ثانیه با فرکانس 40 کیلوهرتز، چرخه کاری 50 درصد و توقف برای 64 میلی ثانیه خروجی می دهد. به صورت زیر محاسبه می شود:

شرایط: RA = 1.5KΩ، RB=15KΩ، C=1000pF

TL = 0.69 x RB x C = 0.69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12 = 10μsec

TH = 0.69 x (RA + RB) x C = 0.69 x 16.5 x 103 x 1000 x 10-12 = 11μsec

F = 1/(TL + TH) = 1/((10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 کیلوهرتز

IC3 (CD4069) مدار درایو سر انتقال دهنده اولتراسونیک را تشکیل می دهد.