Tinjauan rinci tentang prinsip sensor rentang ultrasonik dan desain rangkaian transduser rentang ultrasonik

Karena directivity gelombang ultrasonik yang kuat, konsumsi energi yang lambat, dan jarak medium yang jauh, gelombang ultrasonik sering digunakan untuk pengukuran jarak. Misalnya, pengukur jarak ultrasonik dan alat pengukur ketinggian dapat diwujudkan dengan gelombang ultrasonik. Pengujian ultrasonik seringkali cepat, nyaman, mudah dihitung, mudah dicapai kontrol waktu nyata, dan dapat memenuhi persyaratan praktis industri dalam hal akurasi pengukuran, sehingga juga telah banyak digunakan dalam pengembangan robot bergerak. Agar mobile robot dapat menghindari rintangan dan berjalan secara otomatis, maka harus dilengkapi dengan sistem pengukur jarak sehingga dapat memperoleh informasi jarak (jarak dan arah) dari rintangan tersebut secara tepat waktu. Sistem pengukuran jarak ultrasonik tiga arah (depan, kiri, dan kanan) yang diperkenalkan dalam artikel ini bertujuan untuk memberikan informasi jarak pergerakan robot untuk memahami lingkungan depan, kiri dan kanannya.

Kedua, prinsip transduser jarak ultrasonik

1. Generator ultrasonik

Untuk mempelajari dan menggunakan USG, banyak generator USG telah dirancang dan dibuat. Secara umum, generator ultrasonik dapat dibagi menjadi dua kategori: satu menghasilkan gelombang ultrasonik secara elektrik, dan yang lainnya adalah menghasilkan gelombang ultrasonik secara mekanis. Metode kelistrikan meliputi piezoelektrik, magnetostriktif, dan listrik, dll.; metode mekanis meliputi seruling, peluit cair, dan peluit udara. Frekuensi, daya dan karakteristik sonik gelombang ultrasonik yang dihasilkannya berbeda-beda, sehingga kegunaannya juga berbeda. Saat ini, generator ultrasonik piezoelektrik lebih umum digunakan.

2. Prinsip generator ultrasonik piezoelektrik

Generator ultrasonik piezoelektrik sebenarnya menggunakan resonansi kristal piezoelektrik untuk bekerja. Struktur internal generator ultrasonik ditampilkan. Ia memiliki dua wafer piezoelektrik dan pelat resonansi. Ketika sinyal pulsa diterapkan ke dua kutubnya, yang frekuensinya sama dengan frekuensi osilasi alami wafer piezoelektrik, wafer piezoelektrik akan beresonansi dan mendorong pelat resonansi bergetar untuk menghasilkan gelombang ultrasonik. Sebaliknya, jika tidak ada tegangan yang diberikan antara kedua elektroda, ketika pelat resonansi menerima gelombang ultrasonik, ia akan menekan chip piezoelektrik untuk bergetar dan mengubah energi mekanik menjadi sinyal listrik, dan kemudian menjadi penerima ultrasonik.

3. Prinsip transduser ultrasonik untuk pengukuran jarak

Pemancar ultrasonik memancarkan gelombang ultrasonik ke arah tertentu dan memulai waktunya bersamaan dengan waktu peluncuran. Gelombang ultrasonik merambat di udara dan segera kembali ketika menemui rintangan di jalan. Penerima ultrasonik menghentikan penghitungan waktu segera setelah menerima gelombang yang dipantulkan. Kecepatan rambat gelombang ultrasonik di udara adalah 340m/s. Berdasarkan waktu t yang dicatat oleh pengatur waktu, maka dapat dihitung jarak antara titik peluncuran dengan rintangan, yaitu: s=340t/2

Gambar 1 Struktur sensor ultrasonik

Inilah yang disebut metode rentang perbedaan waktu.

Ketiga, desain rangkaian transduser rentang ultrasonik

Karakteristik dari sistem ini adalah penggunaan komputer mikro chip tunggal untuk mengontrol transmisi gelombang ultrasonik dan pengaturan waktu bolak-balik gelombang ultrasonik dari transmisi ke penerimaan. Pemilihan chip tunggal ekonomis dan mudah digunakan, dan terdapat ROM 4K on-chip untuk pemrograman yang mudah. Diagram skema rangkaian ditampilkan. Hanya diagram pengkabelan rangkaian jangkauan depan yang digambar, dan rangkaian jangkauan kiri dan kanan sama dengan rangkaian jangkauan depan.

1. Pembangkitan pulsa 40kHz dan emisi ultrasonik

Sensor ultrasonik dalam sistem pengukuran jarak mengadopsi sensor keramik piezoelektrik UCM40, dan tegangan kerjanya adalah sinyal pulsa 40kHz, yang dihasilkan oleh komputer chip tunggal yang menjalankan program berikut.

Terminal masukan dari rangkaian jangkauan depan dihubungkan ke port P1.0 dari komputer mikro chip tunggal. Setelah komputer mikro chip tunggal menjalankan program di atas, ia mengeluarkan sinyal pulsa 40kHz di port P1.0, yang diperkuat oleh transistor T, menggerakkan pemancar ultrasonik UCM40T, dan mengirimkan gelombang ultrasonik berdenyut 40kHz. Dan terus mengirimkan 200ms. Ujung input rangkaian jangkauan kanan dan kiri masing-masing dihubungkan ke port P1.1 dan P1.2, dan prinsip kerjanya sama dengan rangkaian jangkauan depan.

2. Penerimaan dan pemrosesan ultrasonik

Kepala penerima mengadopsi UCM40R yang dipasangkan dengan kepala transmisi, sensor transduser ultrasonik mengubah pulsa termodulasi ultrasonik menjadi sinyal tegangan bolak-balik, yang diperkuat oleh penguat operasional IC1A dan IC1B dan kemudian ditambahkan ke IC2. IC2 adalah blok terintegrasi decoding audio LM567 dengan loop terkunci. Frekuensi tengah osilator yang dikontrol tegangan internal adalah f0=1/1.1R8C3, dan kapasitor C4 menentukan bandwidth pengunciannya. Menyesuaikan R8 pada frekuensi pembawa transmisi, sinyal input LM567 lebih besar dari 25mV, dan pin output 8 berubah dari level tinggi ke level rendah, yang digunakan sebagai sinyal permintaan interupsi dan dikirim ke mikrokontroler untuk diproses.

Terminal keluaran rangkaian jangkauan depan dihubungkan ke port MCU INT0, prioritas interupsi adalah yang tertinggi, keluaran rangkaian jangkauan kiri dan kanan dihubungkan ke port MCU INT1 melalui keluaran gerbang AND IC3A, sedangkan MCU P1.3 dan P1.4 dihubungkan ke masukan IC3A Pada akhirnya, identifikasi sumber interupsi ditangani oleh kueri program, dan prioritas interupsi adalah kanan terlebih dahulu lalu kiri.