Gedetailleerd overzicht van het principe van de ultrasone afstandssensor en het circuitontwerp van de ultrasone afstandssensor

Vanwege de sterke gerichtheid van ultrasone golven, het trage energieverbruik en de lange afstanden in het medium, worden ultrasone golven vaak gebruikt voor afstandsmeting. Ultrasone afstandsmeters en niveaumeetinstrumenten kunnen bijvoorbeeld worden gerealiseerd door ultrasone golven. Ultrasoon testen is vaak snel, handig, eenvoudig te berekenen, gemakkelijk real-time controle te realiseren en kan voldoen aan industriële praktische eisen op het gebied van meetnauwkeurigheid. Daarom wordt het ook veel gebruikt bij de ontwikkeling van mobiele robots. Om een ​​mobiele robot automatisch obstakels te laten ontwijken en te laten lopen, moet hij zijn uitgerust met een afstandsmeetsysteem zodat hij op tijd de afstandsinformatie (afstand en richting) tot het obstakel kan verkrijgen. Het ultrasone afstandsmeetsysteem in drie richtingen (voor, links en rechts) dat in dit artikel wordt geïntroduceerd, is bedoeld om informatie over de bewegingsafstand te verschaffen zodat de robot de omgeving voor, links en rechts kan begrijpen.

In de tweede plaats het principe van ultrasone afstandstransducer

1. Ultrasone generator

Om echografie te bestuderen en te gebruiken zijn er veel ultrasone generatoren ontworpen en gemaakt. Over het algemeen kunnen ultrasone generatoren in twee categorieën worden verdeeld: de ene is bedoeld om ultrasone golven elektrisch te genereren, en de andere is om ultrasone golven mechanisch te genereren. Elektrische methoden omvatten piëzo-elektrisch, magnetostrictief en elektrisch, enz.; mechanische methoden omvatten fluit, vloeistoffluit en luchtfluit. De frequentie, het vermogen en de sonische kenmerken van de ultrasone golven die ze produceren zijn verschillend, dus hun toepassingen zijn ook verschillend. Momenteel wordt de piëzo-elektrische ultrasone generator vaker gebruikt.

2. Principe van piëzo-elektrische ultrasone generator

De piëzo-elektrische ultrasone generator gebruikt feitelijk de resonantie van een piëzo-elektrisch kristal om te werken. De interne structuur van de ultrasone generator wordt getoond. Het heeft twee piëzo-elektrische wafels en een resonantieplaat. Wanneer een pulssignaal wordt aangelegd aan de twee polen, waarvan de frequentie gelijk is aan de natuurlijke oscillatiefrequentie van de piëzo-elektrische wafel, zal de piëzo-elektrische wafel resoneren en de resonantieplaat aanzetten tot trillen om ultrasone golven te genereren. Integendeel, als er geen spanning wordt aangelegd tussen de twee elektroden, zal de resonantieplaat, wanneer deze ultrasone golven ontvangt, op de piëzo-elektrische chip drukken om te trillen en de mechanische energie omzetten in elektrische signalen, en dan zal het een ultrasone ontvanger worden.

3. Het principe van ultrasone transducer voor afstandsmeting

De ultrasone zender zendt ultrasone golven uit in een bepaalde richting en begint tegelijkertijd met de lanceringstijd te timen. De ultrasone golven planten zich voort in de lucht en keren onmiddellijk terug als ze onderweg obstakels tegenkomen. De ultrasone ontvanger stopt onmiddellijk na ontvangst van de gereflecteerde golven. De voortplantingssnelheid van de ultrasone golf in de lucht bedraagt ​​340 m/s. Afhankelijk van de door de timer geregistreerde tijd t kan de afstand tussen het lanceerpunt en het/de obstakel(s) worden berekend, namelijk: s=340t/2

Figuur 1 Ultrasone sensorstructuur

Dit is de zogenaamde tijdsverschilvariërende methode.

Ten derde het circuitontwerp van de ultrasone bereiktransducer

Het kenmerk van dit systeem is het gebruik van een microcomputer met één chip om de transmissie van ultrasone golven en de timing van de retourtijd van ultrasone golven van verzending naar ontvangst te regelen. De selectie met één chip is zuinig en gemakkelijk te gebruiken, en er is een 4K ROM op de chip voor eenvoudig programmeren. Het schakelschema wordt getoond. Alleen het bedradingsschema van het front-variërende circuit is getekend, en de linker- en rechtercircuits zijn hetzelfde als het front-variërende circuit.

1. 40 kHz pulsgeneratie en ultrasone emissie

De ultrasone sensor in het afstandsmeetsysteem maakt gebruik van de piëzo-elektrische keramische sensor van UCM40, en de werkspanning ervan is een pulssignaal van 40 kHz, dat wordt gegenereerd door de computer met één chip die het volgende programma uitvoert.

De ingangsterminal van het front-variërende circuit is verbonden met de P1.0-poort van de microcomputer met één chip. Nadat de microcomputer met één chip het bovenstaande programma heeft uitgevoerd, geeft deze een pulssignaal van 40 kHz af op de P1.0-poort, dat wordt versterkt door de transistor T, stuurt de ultrasone zender UCM40T aan en zendt gepulseerde ultrasone golven van 40 kHz uit. En blijf 200 ms uitzenden. De ingangsuiteinden van de rechter en linker bereikcircuits zijn respectievelijk verbonden met de P1.1- en P1.2-poorten, en het werkingsprincipe is hetzelfde als dat van het frontbereikcircuit.

2. Ultrasone ontvangst en verwerking

De ontvangende kop gebruikt de UCM40R in combinatie met de zendende kop, ultrasone transducersensor zet de ultrasone gemoduleerde puls om in een wisselspanningssignaal, dat wordt versterkt door de operationele versterkers IC1A en IC1B en vervolgens wordt toegevoegd aan IC2. IC2 is een geïntegreerd audiodecoderingsblok LM567 met een vergrendelde lus. De middenfrequentie van de interne spanningsgestuurde oscillator is f0=1/1.1R8C3, en de condensator C4 bepaalt zijn vergrendelingsbandbreedte. Door R8 op de zenddraaggolffrequentie aan te passen, is het ingangssignaal van de LM567 groter dan 25 mV en verandert de uitgangspin 8 van hoog niveau naar laag niveau, dat wordt gebruikt als een interruptverzoeksignaal en voor verwerking naar de microcontroller wordt gestuurd.

De uitgangsterminal van het voorste bereikcircuit is verbonden met de MCU INTO-poort, de interruptprioriteit is de hoogste, de uitgang van het linker en rechter bereikcircuit is verbonden met de MCU INT1-poort via de uitgang van de EN-poort IC3A, terwijl de MCU P1.3 en P1.4 zijn verbonden met de ingang van IC3A. Aan het einde wordt de identificatie van de interruptbron afgehandeld door de programmaquery en is de interruptprioriteit eerst rechts en dan links.