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超音波距離計はNE555回路、2段増幅回路、レベル比較回路を採用し、超音波の送受信を実現します。コンパレータは距離計の中核となるユニットで、送信回路の制御と受信データの処理を実現します。このシステムには大きな実用的価値があり、市場の見通しも良好です。
一 全体計画
1.1 代替案
解決策 1: 超音波距離計は個別のモジュールを使用しています
このシステムには、超音波距離測定モジュール、LED デジタル表示モジュール、駆動モジュール制御モジュール、電源の 5 つの部分が含まれています。
超音波測距モジュールセンサーは主に送信部と受信部で構成されています。小型超音波トランスデューサーの送信はメインコントローラーによって制御されます (図 1 を参照)。超音波トランスデューサは 40KHz の周波数で共振し、モジュールには 40KHz 方形波発生回路が搭載されています。
表示モジュールは 8 桁セグメントのデジタル表示 LCD です。測定結果表示は 3 桁のフィールドコードを使用し、X ポイント XX メートルの形式で、2 桁のセグメントコードを使用してデータ数を表示します。
電源は9V DC電源入力を採用しています。電圧調整管の後、5V および 3.3V の電源がシステムのさまざまな部分に使用されます。
図1 超音波測距センサーの構造
スキーム 2: PIC16F876A マイクロコントローラーに基づく超音波距離計。
超音波距離計は主にシングルチップマイクロコンピュータ PIC16F876A に基づいています。その送信機は圧電結晶の共振を利用して周囲の空気を振動させて動作させます。超音波発信機は一定方向に超音波を発信し、超音波が空中に到達すると同時に計時を開始します。伝播、途中で障害物に遭遇するとすぐに戻り、超音波受信機は反射波を受信するとタイミングを止めます。通常の状況では、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、発射点と障害物との間の距離、すなわち、距離測定に一般的に使用される時間差法であるｓ＝３４０ｔ／２を計算することができる。
測距カウント回路の設計では、適切なカウント方法が採用されます。超音波トランスデューサセンサーの主な原理は、シングルチップマイクロコンピュータシステムが測定中に最初にパルス信号を送信回路に提供し、シングルチップカウンタが待機状態にありカウントしないことです。信号が一定期間送信されると、シングルチップマイクロコンピュータが信号を送信し、システムが送信信号をシャットダウンし、最初に同期を達成するためにカウンタがカウントを開始します。受信信号の最後のパルスが到着すると、カウンターはカウントを停止します。
双方向超音波距離計システムは主に、LED ディスプレイ モジュール、PIC16F876A チップ、超音波送信モジュール、超音波受信モジュール、電源モジュール、その他の 5 つのモジュールといういくつかの部分 (図 2 に示すように) で構成されています。
図2 システム設計の全体ブロック図
1.2 スキームの選択
この超音波空気トランスデューサの設計はデジタルアナログ回路設計であるため、チームメンバーにとって MCU プログラミングに慣れていないことを考慮すると、デバッグはさらに困難に直面することになります。スキーム 1 の回路は学習した知識に基づいて構築されており、原理は比較的よく知られているため、より複雑なハードウェア回路を備えたスキーム 1 が採用されます。
二 設計と実装
超音波距離計は、障害物に遭遇したときに反射して戻ってくる超音波の特性に基づいています。超音波発信機は一定方向に超音波を発信し、発信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即座に中断して計時を停止します。超音波を発射した後、障害物に遭遇したときの反射エコーを継続的に検出することで、超音波の送信と受信の時間差Tを測定し、距離Lを求めます。基本的な測距式は次のとおりです: L=(△t/2)*C
ここで、L は測定する距離です
T——送信波と反射波の間の時間間隔
C——空気中の超音波の音速、室温で 340m/s
音速が決まれば、超音波の往復時間を測定すればLを求めることができます。
2.1 超音波測距の原理
2.1.1 起動部分
図 3 超音波放射構造図は 2 つの 555 集積回路で構成されています。 IC1(555)は超音波パルス信号発生器を構成しており、動作周期の計算式は以下の通りですが、実際の回路では部品等の誤差により若干の差異が生じます。
条件：RA=9.1MΩ、RB=150KΩ、C=0.01μF
TL = 0.69 × RB × C = 0.69 × 150 × 103 × 0.01 × 10-6 = 1 ミリ秒
TH = 0.69 × (RA + RB) × C = 0.69 × 9250 × 103 × 0.01 × 10-6 = 64 ミリ秒
ＩＣ２は超音波搬送信号発生器を構成する。 IC1が出力するパルス信号により制御され、周波数40kHz、デューティサイクル50%、64ms停止の1msパルスを出力します。次のように計算されます。
条件：RA=1.5KΩ、RB=15KΩ、C=1000pF
TL = 0.69 × RB × C = 0.69 × 15 × 103 × 1000 × 10-12 = 10μ秒
TH = 0.69 × (RA + RB) × C = 0.69 × 16.5 × 103 × 1000 × 10-12 = 11μ秒
F = 1/(TL + TH) = 1/((10.35 + 11.39) x 10-6) = 46.0 KHz
IC3(CD4069)は超音波送信ヘッド駆動回路を構成します。
