Detaljan pregled principa ultrazvučnog senzora za mjerenje udaljenosti i dizajn strujnog kruga ultrazvučnog pretvarača za mjerenje udaljenosti

Zbog jake usmjerenosti ultrazvučnih valova, spore potrošnje energije i velikih udaljenosti u mediju, ultrazvučni valovi se često koriste za mjerenje udaljenosti. Na primjer, ultrazvučni daljinomjeri i instrumenti za mjerenje razine mogu se realizirati ultrazvučnim valovima. Ultrazvučno testiranje često je brzo, praktično, jednostavno za izračunavanje, lako se postiže kontrola u stvarnom vremenu i može zadovoljiti industrijske praktične zahtjeve u pogledu točnosti mjerenja, tako da se naširoko koristi u razvoju mobilnih robota. Kako bi mobilni robot automatski izbjegavao prepreke i hodao, mora biti opremljen sustavom za mjerenje udaljenosti kako bi mogao na vrijeme dobiti informaciju o udaljenosti (udaljenost i smjer) od prepreke. Trosmjerni (sprijeda, lijevo i desno) ultrazvučni sustav mjerenja udaljenosti predstavljen u ovom članku služi za pružanje informacija o udaljenosti kretanja za robota kako bi razumio svoje prednje, lijevo i desno okruženje.

Drugo, načelo ultrazvučni pretvarač udaljenosti

1. Ultrazvučni generator

Za proučavanje i korištenje ultrazvuka dizajnirani su i napravljeni mnogi generatori ultrazvuka. Općenito govoreći, ultrazvučni generatori mogu se podijeliti u dvije kategorije: jedna je za električno generiranje ultrazvučnih valova, a druga za mehaničko generiranje ultrazvučnih valova. Električne metode uključuju piezoelektrične, magnetostrikcijske i električne, itd.; mehaničke metode uključuju flautu, tekuću zviždaljku i zračnu zviždaljku. Frekvencija, snaga i zvučne karakteristike ultrazvučnih valova koje proizvode su različite, pa je i njihova upotreba različita. Trenutno se češće koristi piezoelektrični ultrazvučni generator.

2. Princip piezoelektričnog ultrazvučnog generatora

Piezoelektrični ultrazvučni generator za rad zapravo koristi rezonanciju piezoelektričnog kristala. Prikazana je unutarnja struktura ultrazvučnog generatora. Ima dvije piezoelektrične pločice i rezonantnu ploču. Kada se pulsni signal primijeni na njegova dva pola, čija je frekvencija jednaka prirodnoj frekvenciji oscilacija piezoelektrične pločice, piezoelektrična pločica će rezonirati i pokrenuti rezonantnu ploču da vibrira i generira ultrazvučne valove. Naprotiv, ako nema napona između dvije elektrode, kada rezonantna ploča primi ultrazvučne valove, ona će pritisnuti piezoelektrični čip da vibrira i pretvori mehaničku energiju u električne signale, a zatim će postati ultrazvučni prijamnik.

3. Načelo od ultrazvučni pretvarač za mjerenje udaljenosti

Ultrazvučni odašiljač emitira ultrazvučne valove u određenom smjeru i počinje mjeriti vrijeme u isto vrijeme kada i vrijeme lansiranja. Ultrazvučni valovi se šire u zraku i odmah se vraćaju kada naiđu na prepreke na putu. Ultrazvučni prijemnik prestaje mjeriti vrijeme odmah nakon primanja reflektiranih valova. Brzina širenja ultrazvučnog vala u zraku je 340m/s. Prema vremenu t koje je zabilježio mjerač vremena, može se izračunati udaljenost između točke lansiranja i prepreke(s), naime: s=340t/2

Slika 1 Struktura ultrazvučnog senzora

Ovo je takozvana metoda rangiranja vremenske razlike.

Treće, dizajn strujnog kruga ultrazvučnog pretvarača dometa

Karakteristika ovog sustava je korištenje mikroračunala s jednim čipom za kontrolu prijenosa ultrazvučnih valova i vrijeme povratnog vremena ultrazvučnih valova od prijenosa do prijema. Odabir s jednim čipom je ekonomičan i jednostavan za korištenje, a tu je i 4K ROM na čipu za jednostavno programiranje. Prikazan je shematski dijagram strujnog kruga. Nacrtan je samo dijagram ožičenja prednjeg kruga za mjerenje udaljenosti, a lijevi i desni krugovi za mjerenje udaljenosti isti su kao i prednji krug za mjerenje udaljenosti.

1. Generiranje impulsa od 40 kHz i ultrazvučna emisija

Ultrazvučni senzor u sustavu za mjerenje udaljenosti koristi piezoelektrični keramički senzor UCM40, a njegov radni napon je pulsni signal od 40 kHz, koji generira jednočipno računalo izvršavajući sljedeći program.

Ulazni terminal prednjeg kruga za mjerenje dometa spojen je na priključak P1.0 mikroračunala s jednim čipom. Nakon što mikroračunalo s jednim čipom izvrši gore navedeni program, emitira pulsni signal od 40 kHz na priključku P1.0, koji je pojačan tranzistorom T, pokreće ultrazvučni odašiljač UCM40T i šalje pulsirajuće ultrazvučne valove od 40 kHz. I nastavite slati 200ms. Ulazni krajevi desnog i lijevog kruga za mjerenje dometa spojeni su na priključke P1.1 odnosno P1.2, a princip rada je isti kao kod prednjeg kruga za određivanje dometa.

2. Ultrazvučni prijem i obrada

Prijemna glava usvaja UCM40R uparen s odašiljačkom glavom, senzor ultrazvučnog pretvarača pretvara ultrazvučni modulirani impuls u izmjenični naponski signal, koji se pojačava operacijskim pojačalima IC1A i IC1B, a zatim dodaje IC2. IC2 je integrirani blok za dekodiranje zvuka LM567 sa zaključanom petljom. Središnja frekvencija unutarnjeg naponom upravljanog oscilatora je f0=1/1.1R8C3, a kondenzator C4 određuje njegovu propusnost zaključavanja. Podešavanjem R8 na prijenosnoj frekvenciji prijenosa, ulazni signal LM567 veći je od 25 mV, a izlazni pin 8 mijenja se s visoke razine na nisku razinu, što se koristi kao signal zahtjeva za prekid i šalje mikrokontroleru na obradu.

Izlazni terminal prednjeg kruga za rangiranje spojen je na MCU INT0 port, prioritet prekida je najviši, izlaz lijevog i desnog kruga za rangiranje povezan je s MCU INT1 portom preko izlaza AND vrata IC3A, dok su MCU P1.3 i P1.4 spojeni na ulaz IC3A. Na kraju, identifikaciju izvora prekida obrađuje programski upit, a prioritet prekida je desno prvo a zatim lijevo.