超音波測距センサーの原理と超音波測距トランスデューサーの回路設計の詳細な概要

超音波は指向性が強く、エネルギー消費が遅く、媒質中での距離が長いため、距離測定によく使用されます。例えば、超音波距離計やレベル測定器は超音波によって実現できます。超音波検査は多くの場合、迅速かつ便利で、計算が簡単で、リアルタイム制御の実現が容易で、測定精度の点で産業上の実際の要件を満たすことができるため、移動ロボットの開発にも広く使用されています。移動ロボットが障害物を自動的に回避して歩行するためには、障害物との距離情報（距離と方向）を適時に取得できる距離測定システムを搭載する必要があります。今回紹介する3方向（前方、左方、右方）の超音波距離計測システムは、ロボットが前方、左方、右方の環境を把握するための移動距離情報を提供するものです。

第二に、次の原則 超音波距離トランスデューサー

1.超音波発生器

超音波を研究し、使用するために、多くの超音波発生器が設計、製造されてきました。一般に、超音波発生器は電気的に超音波を発生させるものと、機械的に超音波を発生させるものの２つに分類できます。電気的方法には、圧電、磁歪、電気などが含まれます。機械的な方法には、フルート、液体ホイッスル、空気ホイッスルなどがあります。発生する超音波の周波数、パワー、音響特性が異なるため、用途も異なります。現在、圧電超音波発生器がより一般的に使用されています。

2. 圧電超音波発生器の原理

圧電超音波発生器は、実際には圧電結晶の共振を利用して動作します。超音波発生器の内部構造を示します。 2 枚の圧電ウェハーと 1 つの共振プレートを備えています。圧電ウエハーの固有振動周波数と等しい周波数のパルス信号が 2 つの極に印加されると、圧電ウエハーが共振し、共振プレートを振動させて超音波を発生させます。逆に、2つの電極間に電圧が印加されていない場合、共振板が超音波を受信すると、圧電チップが押されて振動し、機械エネルギーが電気信号に変換され、超音波受信器となります。

3. の原理 距離測定用超音波トランスデューサ

超音波発信機は一定方向に超音波を発信し、発射時刻と同時に計時を開始します。超音波は空中を伝播し、途中で障害物に遭遇するとすぐに戻ってきます。超音波受信機は反射波を受信するとすぐに計時を停止します。空気中の超音波の伝播速度は340m/sです。タイマーによって記録された時間 t に従って、発射点と障害物の間の距離 (s) を計算できます。つまり、s=340t/2

図1 超音波センサーの構造

いわゆる時差測距方式である。

第三に、超音波測距トランスデューサーの回路設計

このシステムの特徴は、超音波の送信と超音波の送信から受信までの往復時間のタイミングをワンチップマイコンで制御していることです。シングルチップの選択は経済的で使いやすく、プログラミングが簡単な 4K ROM がオンチップにあります。回路図を示します。フロント測距回路の配線図のみを示しており、左右の測距回路はフロント測距回路と同じです。

1. 40kHzパルス発生と超音波放射

距離測定システムの超音波センサーは圧電セラミックセンサーUCM40を採用しており、動作電圧は以下のプログラムを実行するワンチップコンピューターにより生成される40kHzのパルス信号です。

フロント測距回路の入力端子はシングルチップマイコンのP1.0ポートに接続されています。ワンチップマイコンが上記プログラムを実行すると、P1.0ポートから40kHzのパルス信号が出力され、トランジスタTで増幅されて超音波発信器UCM40Tを駆動し、40kHzのパルス状超音波を発信します。そして200ms送信し続けます。右側と左側の測距回路の入力端は、それぞれ P1.1 ポートと P1.2 ポートに接続されており、動作原理は前面の測距回路と同じです。

2. 超音波の受信と処理

受信ヘッドは送信ヘッドと組み合わせたUCM40Rを採用し、 超音波トランスデューサ センサーは 超音波変調パルスを交流電圧信号に変換し、オペアンプ IC1A と IC1B で増幅してから IC2 に加えます。 IC2 は、ロック ループを備えたオーディオ デコード統合ブロック LM567 です。内部電圧制御発振器の中心周波数は f0=1/1.1R8C3 で、コンデンサ C4 がそのロッキング帯域幅を決定します。送信キャリア周波数で R8 を調整すると、LM567 入力信号は 25mV を超え、出力ピン 8 はハイ レベルからロー レベルに変化します。これは割り込み要求信号として使用され、処理のためにマイクロコントローラーに送信されます。

前方の測距回路の出力端子は MCU INT0 ポートに接続され、割り込み優先順位は最も高く、左右の測距回路の出力は AND ゲート IC3A の出力を介して MCU INT1 ポートに接続され、MCU P1.3 と P1.4 は IC3A の入力に接続されます。最後に、割り込みソースの識別はプログラム クエリによって処理され、割り込み優先順位は右が最初、次に左になります。