Detaljert oversikt over prinsippet for ultralydavstandssensor og kretsdesignet til ultralydavstandstransduseren

På grunn av den sterke retningsvirkningen til ultralydbølger, sakte energiforbruk og lange avstander i mediet, brukes ultralydbølger ofte til avstandsmåling. For eksempel kan ultralydavstandsmålere og nivåmåleinstrumenter realiseres ved hjelp av ultralydbølger. Ultralydtesting er ofte rask, praktisk, enkel å beregne, lett å oppnå sanntidskontroll, og kan møte industrielle praktiske krav når det gjelder målenøyaktighet, så den har også blitt mye brukt i utviklingen av mobile roboter. For at en mobil robot automatisk skal unngå hindringer og gå, må den være utstyrt med et avstandsmålesystem slik at den kan hente avstandsinformasjonen (avstand og retning) fra hindringen i tide. Det treveis (front, venstre og høyre) ultralydavstandsmålesystemet som introduseres i denne artikkelen, er å gi en bevegelsesavstandsinformasjon slik at roboten kan forstå omgivelsene foran, venstre og høyre.

For det andre, prinsippet om ultrasonisk avstandstransduser

1. Ultralydgenerator

For å studere og bruke ultralyd er det designet og laget mange ultralydgeneratorer. Generelt sett kan ultralydgeneratorer deles inn i to kategorier: den ene er å generere ultralydbølger elektrisk, og den andre er å generere ultralydbølger mekanisk. Elektriske metoder inkluderer piezoelektriske, magnetostriktive og elektriske, etc.; mekaniske metoder inkluderer fløyte, flytende fløyte og luftfløyte. Frekvensen, kraften og lydegenskapene til ultralydbølgene de produserer er forskjellige, så bruken deres er også forskjellig. For tiden er den piezoelektriske ultralydgeneratoren mer vanlig brukt.

2. Prinsippet for piezoelektrisk ultralydgenerator

Den piezoelektriske ultralydgeneratoren bruker faktisk resonansen til en piezoelektrisk krystall for å fungere. Den interne strukturen til ultralydgeneratoren er vist. Den har to piezoelektriske skiver og en resonansplate. Når et pulssignal påføres de to polene, hvis frekvens er lik den naturlige oscillasjonsfrekvensen til den piezoelektriske skiven, vil den piezoelektriske skiven resonere og drive resonansplaten til å vibrere for å generere ultralydbølger. Tvert imot, hvis det ikke påføres spenning mellom de to elektrodene, når resonansplaten mottar ultralydbølger, vil den trykke den piezoelektriske brikken for å vibrere og konvertere den mekaniske energien til elektriske signaler, og deretter vil den bli en ultralydmottaker.

3. Prinsippet om ultralydsvinger for avstandsmåling

Ultralydsenderen sender ut ultralydbølger i en bestemt retning og starter timing samtidig som lanseringstidspunktet. Ultralydbølgene forplanter seg i luften og returnerer umiddelbart når de møter hindringer på veien. Ultralydmottakeren stopper timingen umiddelbart etter å ha mottatt de reflekterte bølgene. Utbredelseshastigheten til ultralydbølgen i luften er 340m/s. I henhold til tiden t registrert av tidtakeren, kan avstanden mellom utskytningspunktet og hindringen(e) beregnes, nemlig: s=340t/2

Figur 1 Ultralydsensorstruktur

Dette er den såkalte tidsdifferansemetoden.

For det tredje, kretsdesignet til ultralydavstandstransduseren

Karakteristikken for dette systemet er bruken av en enkeltbrikke mikrodatamaskin for å kontrollere overføringen av ultralydbølger og tidspunktet for rundturstiden for ultralydbølger fra overføring til mottak. Enkeltbrikke-utvalget er økonomisk og enkelt å bruke, og det er en 4K ROM på brikken for enkel programmering. Kretsskjemaet er vist. Bare koblingsskjemaet til den fremre avstandskretsen er tegnet, og venstre og høyre avstandskrets er de samme som den fremre avstandskretsen.

1. 40kHz pulsgenerering og ultralydutslipp

Ultralydsensoren i avstandsmålesystemet tar i bruk den piezoelektriske keramiske sensoren til UCM40, og arbeidsspenningen er et pulssignal på 40 kHz, som genereres av datamaskinen med én brikke som utfører følgende program.

Inngangsterminalen til den fremre avstandskretsen er koblet til P1.0-porten på enkeltbrikke-mikrodatamaskinen. Etter at enkeltbrikkemikrodatamaskinen har utført programmet ovenfor, sender den ut et 40 kHz pulssignal ved P1.0-porten, som forsterkes av transistoren T, driver ultralydsenderen UCM40T og sender ut 40 kHz pulsede ultralydbølger. Og fortsett å sende 200ms. Inngangsenden til høyre og venstre avstandskrets er koblet til henholdsvis P1.1- og P1.2-portene, og arbeidsprinsippet er det samme som for den fremre avstandskretsen.

2. Ultralydmottak og prosessering

Mottakshodet bruker UCM40R sammenkoblet med senderhodet, ultrasonisk transdusersensor konverterer den ultralydmodulerte pulsen til et vekselspenningssignal, som forsterkes av operasjonsforsterkerne IC1A og IC1B og deretter legges til IC2. IC2 er en integrert lyddekodingsblokk LM567 med låst sløyfe. Senterfrekvensen til den interne spenningsstyrte oscillatoren er f0=1/1.1R8C3, og kondensatoren C4 bestemmer dens låsebåndbredde. Ved å justere R8 på sendebærefrekvensen, er LM567-inngangssignalet større enn 25mV, og utgangspinnen 8 endres fra høyt nivå til lavt nivå, som brukes som et avbruddsforespørselssignal og sendes til mikrokontrolleren for behandling.

Utgangsterminalen til den fremre avstandskretsen er koblet til MCU INT0-porten, avbruddsprioriteten er høyest, utgangen til venstre og høyre avstandskrets er koblet til MCU INT1-porten gjennom utgangen til OG-porten IC3A, mens MCU P1.3 og P1.4 er koblet til inngangen til IC3A. På slutten håndteres avbruddskilden av avbruddskilden, og avbruddskilden til avbruddet. prioritet er høyre først og deretter venstre.