Gambaran keseluruhan terperinci tentang prinsip sensor julat ultrasonik dan reka bentuk litar transduser julat ultrasonik

Oleh kerana arahan kuat gelombang ultrasonik, penggunaan tenaga perlahan, dan jarak jauh dalam medium, gelombang ultrasonik sering digunakan untuk pengukuran jarak. Sebagai contoh, pencari jarak ultrasonik dan alat pengukur aras boleh direalisasikan oleh gelombang ultrasonik. Ujian ultrasonik selalunya cepat, mudah, mudah untuk dikira, mudah untuk mencapai kawalan masa nyata, dan boleh memenuhi keperluan praktikal industri dari segi ketepatan pengukuran, jadi ia juga telah digunakan secara meluas dalam pembangunan robot mudah alih. Bagi membolehkan robot mudah alih secara automatik mengelak halangan dan berjalan, ia mesti dilengkapi dengan sistem pengukur jarak supaya ia boleh mendapatkan maklumat jarak (jarak dan arah) daripada halangan dalam masa. Sistem pengukuran jarak ultrasonik tiga arah (depan, kiri dan kanan) yang diperkenalkan dalam artikel ini adalah untuk menyediakan maklumat jarak pergerakan untuk robot memahami persekitaran hadapan, kiri dan kanannya.

Kedua, prinsip transduser jarak ultrasonik

1. Penjana ultrasonik

Untuk mengkaji dan menggunakan ultrasound, banyak penjana ultrasound telah direka dan dibuat. Secara umumnya, penjana ultrasonik boleh dibahagikan kepada dua kategori: satu adalah untuk menghasilkan gelombang ultrasonik secara elektrik, dan satu lagi adalah untuk menghasilkan gelombang ultrasonik secara mekanikal. Kaedah elektrik termasuk piezoelektrik, magnetostrictive, dan elektrik, dsb.; kaedah mekanikal termasuk seruling, wisel cecair dan wisel udara. Kekerapan, kuasa dan ciri-ciri sonik gelombang ultrasonik yang dihasilkannya adalah berbeza, jadi penggunaannya juga berbeza. Pada masa ini, penjana ultrasonik piezoelektrik lebih biasa digunakan.

2. Prinsip penjana ultrasonik piezoelektrik

Penjana ultrasonik piezoelektrik sebenarnya menggunakan resonans kristal piezoelektrik untuk berfungsi. Struktur dalaman penjana ultrasonik ditunjukkan. Ia mempunyai dua wafer piezoelektrik dan plat resonans. Apabila isyarat nadi digunakan pada dua kutubnya, frekuensi yang sama dengan frekuensi ayunan semula jadi wafer piezoelektrik, wafer piezoelektrik akan bergema dan memacu plat resonans untuk bergetar untuk menghasilkan gelombang ultrasonik. Sebaliknya, jika tiada voltan digunakan antara dua elektrod, apabila plat resonans menerima gelombang ultrasonik, ia akan menekan cip piezoelektrik untuk bergetar dan menukar tenaga mekanikal kepada isyarat elektrik, dan kemudian ia akan menjadi penerima ultrasonik.

3. Prinsip transduser ultrasonik untuk pengukuran jarak

Pemancar ultrasonik memancarkan gelombang ultrasonik ke arah tertentu dan memulakan pemasaan pada masa yang sama dengan masa pelancaran. Gelombang ultrasonik merambat di udara dan kembali serta-merta apabila menghadapi halangan dalam perjalanan. Penerima ultrasonik menghentikan pemasaan serta-merta selepas menerima gelombang pantulan. Kelajuan perambatan gelombang ultrasonik di udara ialah 340m/s. Mengikut masa t yang dicatatkan oleh pemasa, jarak antara titik pelancaran dan halangan (s) boleh dikira, iaitu: s=340t/2

Rajah 1 Struktur penderia ultrasonik

Ini adalah kaedah julat perbezaan masa yang dipanggil.

Ketiga, reka bentuk litar transduser julat ultrasonik

Ciri sistem ini ialah penggunaan mikrokomputer cip tunggal untuk mengawal penghantaran gelombang ultrasonik dan pemasaan masa perjalanan pergi balik gelombang ultrasonik dari penghantaran ke penerimaan. Pemilihan cip tunggal adalah menjimatkan dan mudah digunakan, dan terdapat 4K ROM pada cip untuk pengaturcaraan yang mudah. Gambarajah skematik litar ditunjukkan. Hanya gambarajah pendawaian litar julat hadapan dilukis, dan litar julat kiri dan kanan adalah sama dengan litar julat hadapan.

1. Penjanaan nadi 40kHz dan pelepasan ultrasonik

Penderia ultrasonik dalam sistem pengukur jarak menggunakan penderia seramik piezoelektrik UCM40, dan voltan kerjanya ialah isyarat nadi 40kHz, yang dihasilkan oleh komputer cip tunggal yang melaksanakan program berikut.

Terminal input litar julat hadapan disambungkan ke port P1.0 mikrokomputer cip tunggal. Selepas mikrokomputer cip tunggal melaksanakan program di atas, ia mengeluarkan isyarat nadi 40kHz pada port P1.0, yang dikuatkan oleh transistor T, memacu pemancar ultrasonik UCM40T, dan menghantar gelombang ultrasonik berdenyut 40kHz. Dan teruskan menghantar 200ms. Hujung input litar julat kanan dan kiri masing-masing disambungkan ke port P1.1 dan P1.2, dan prinsip kerja adalah sama seperti litar julat hadapan.

2. Penerimaan dan pemprosesan ultrasonik

Kepala penerima menggunakan UCM40R yang dipasangkan dengan kepala pemancar, sensor transduser ultrasonik menukar nadi termodulat ultrasonik kepada isyarat voltan berselang-seli, yang dikuatkan oleh penguat operasi IC1A dan IC1B dan kemudian ditambah kepada IC2. IC2 ialah blok bersepadu penyahkod audio LM567 dengan gelung terkunci. Kekerapan pusat pengayun kawalan voltan dalaman ialah f0=1/1.1R8C3, dan kapasitor C4 menentukan lebar jalur pengunciannya. Melaraskan R8 pada frekuensi pembawa pemancar, isyarat input LM567 adalah lebih besar daripada 25mV, dan pin output 8 berubah dari tahap tinggi ke tahap rendah, yang digunakan sebagai isyarat permintaan gangguan dan dihantar ke mikropengawal untuk diproses.

Terminal keluaran litar julat hadapan disambungkan ke port MCU INT0, keutamaan sampukan adalah yang tertinggi, keluaran litar julat kiri dan kanan disambungkan ke port MCU INT1 melalui output get AND IC3A, manakala MCU P1.3 dan P1.4 disambungkan kepada input IC3A Pada akhirnya, pengenalpastian bagi pemegang dan sampukan pertama didahulukan oleh program sampukan pertama dan sampukan pertama. kiri.