Yksityiskohtainen katsaus ultraäänietäisyysanturin periaatteeseen ja ultraäänietäisyysanturin piirisuunnitteluun

Ultraääniaaltojen voimakkaan suuntaavuuden, hitaan energiankulutuksen ja väliaineen pitkien etäisyyksien vuoksi ultraääniaaltoja käytetään usein etäisyysmittaukseen. Esimerkiksi ultraäänietäisyysmittarit ja tasonmittauslaitteet voidaan toteuttaa ultraääniaaltojen avulla. Ultraäänitestaus on usein nopea, kätevä, helppo laskea, helppo saavuttaa reaaliaikainen ohjaus ja se voi täyttää teollisuuden käytännön vaatimukset mittaustarkkuuden suhteen, joten sitä on käytetty laajalti myös mobiilirobottien kehityksessä. Jotta mobiilirobotti voisi automaattisesti välttää esteitä ja kävellä, se on varustettava etäisyysmittausjärjestelmällä, jotta se voi saada etäisyystiedot (etäisyys ja suunta) esteestä ajoissa. Tässä artikkelissa esitellyn kolmisuuntaisen (etu-, vasen- ja oikea) ultraäänietäisyyden mittausjärjestelmän tarkoituksena on tarjota liikeetäisyystiedot, jotta robotti ymmärtää etu-, vasen- ja oikeanpuoleisen ympäristönsä.

Toiseksi periaate ultraäänietäisyysanturi

1. Ultraäänigeneraattori

Ultraäänen tutkimista ja käyttöä varten on suunniteltu ja valmistettu monia ultraäänigeneraattoreita. Yleisesti ottaen ultraäänigeneraattorit voidaan jakaa kahteen luokkaan: toinen on tuottaa ultraääniaaltoja sähköisesti ja toinen on tuottaa ultraääniaaltoja mekaanisesti. Sähköisiä menetelmiä ovat pietsosähköiset, magnetostriktiiviset ja sähköiset jne.; mekaanisia menetelmiä ovat huilu, nestepilli ja ilmapilli. Niiden tuottamien ultraääniaaltojen taajuus, teho ja ääniominaisuudet ovat erilaisia, joten myös niiden käyttötarkoitukset ovat erilaisia. Tällä hetkellä pietsosähköistä ultraäänigeneraattoria käytetään yleisemmin.

2. Pietsosähköisen ultraäänigeneraattorin periaate

Pietsosähköinen ultraäänigeneraattori itse asiassa käyttää pietsosähköisen kiteen resonanssia toimiakseen. Ultraäänigeneraattorin sisäinen rakenne on esitetty. Siinä on kaksi pietsosähköistä kiekkoa ja resonanssilevy. Kun pulssisignaali syötetään sen kahteen napaan, jonka taajuus on yhtä suuri kuin pietsosähköisen kiekon luonnollinen värähtelytaajuus, pietsosähköinen kiekko resonoi ja saa resonanssilevyn värähtelemään ultraääniaaltojen tuottamiseksi. Päinvastoin, jos kahden elektrodin väliin ei kohdisteta jännitettä, kun resonanssilevy vastaanottaa ultraääniaaltoja, se painaa pietsosähköistä sirua värähtelemään ja muuttamaan mekaanisen energian sähköisiksi signaaleiksi, ja sitten siitä tulee ultraäänivastaanotin.

3. Periaate ultraäänianturi etäisyyden mittaamiseen

Ultraäänilähetin lähettää ultraääniaaltoja tiettyyn suuntaan ja aloittaa ajoituksen samaan aikaan kuin laukaisu. Ultraääniaallot leviävät ilmassa ja palaavat välittömästi, kun kohtaavat esteitä matkalla. Ultraäänivastaanotin lopettaa ajoituksen heti heijastuneiden aaltojen vastaanottamisen jälkeen. Ultraääniaallon etenemisnopeus ilmassa on 340 m/s. Ajastimen tallentaman ajan t mukaan voidaan laskea laukaisupisteen ja esteen (esteiden) välinen etäisyys, nimittäin: s=340t/2

Kuva 1 Ultraäänianturirakenne

Tämä on niin kutsuttu aikaeron mittausmenetelmä.

Kolmanneksi ultraäänietäisyysanturin piirisuunnittelu

Tämän järjestelmän ominaisuus on yksisiruisen mikrotietokoneen käyttö ultraääniaaltojen lähetyksen ohjaamiseen ja ultraääniaaltojen edestakaisen matka-ajan ajoitukseen lähetyksestä vastaanottoon. Yhden sirun valinta on taloudellinen ja helppokäyttöinen, ja sirussa on 4K ROM helppoa ohjelmointia varten. Piirikaavio on esitetty. Vain etuetäisyyspiirin kytkentäkaavio piirretään, ja vasen ja oikea mittauspiiri ovat samat kuin etummaisen mittauspiirin.

1. 40 kHz pulssin generointi ja ultraäänipäästö

Etäisyysmittausjärjestelmän ultraäänianturi ottaa käyttöön UCM40:n pietsosähköisen keraamisen anturin, ja sen käyttöjännite on 40 kHz:n pulssisignaali, jonka generoi yksisiruinen tietokone, joka suorittaa seuraavan ohjelman.

Etuetäisyyspiirin tuloliitin on kytketty yksisiruisen mikrotietokoneen P1.0-porttiin. Kun yksisiruinen mikrotietokone on suorittanut yllä olevan ohjelman, se lähettää 40 kHz:n pulssisignaalin P1.0-porttiin, jota vahvistaa transistori T, käyttää ultraäänilähetintä UCM40T ja lähettää 40 kHz:n pulssi-ultraääniaaltoja. Ja jatka lähettämistä 200 ms. Oikean ja vasemman mittauspiirin tulopäät on kytketty vastaavasti P1.1- ja P1.2-portteihin, ja toimintaperiaate on sama kuin etummaisen mittauspiirin.

2. Ultraäänivastaanotto ja käsittely

Vastaanottava pää ottaa UCM40R:n pariksi lähetyspään kanssa, ultraäänianturi muuntaa ultraäänimoduloidun pulssin vaihtojännitesignaaliksi, jota vahvistetaan operaatiovahvistimilla IC1A ja IC1B ja lisätään sitten IC2:een. IC2 on integroitu äänenpurkulohko LM567, jossa on lukittu silmukka. Sisäisen jänniteohjatun oskillaattorin keskitaajuus on f0=1/1.1R8C3 ja kondensaattori C4 määrittää sen lukituskaistanleveyden. Säätämällä R8 lähetyskantoaaltotaajuudella LM567-tulosignaali on suurempi kuin 25 mV ja lähtönasta 8 muuttuu korkealta tasolta matalalle, jota käytetään keskeytyspyyntösignaalina ja lähetetään mikro-ohjaimelle käsittelyä varten.

Etuetäisyydenmittauspiirin lähtöliitin on kytketty MCU INT0 -porttiin, keskeytysprioriteetti on korkein, vasemman ja oikean mittauspiirin lähtö on kytketty MCU INT1 -porttiin JA-portin IC3A lähdön kautta, kun taas MCU P1.3 ja P1.4 on kytketty IC3A:n tuloon. Lopussa on keskeytyslähteen kahva ja oikea keskeytysohjelman tunniste. ensin ja sitten lähti.