Szczegółowy przegląd zasady działania ultradźwiękowego czujnika odległości i konstrukcji obwodu ultradźwiękowego przetwornika odległości

Ze względu na dużą kierunkowość fal ultradźwiękowych, powolne zużycie energii i duże odległości w ośrodku, do pomiaru odległości często wykorzystuje się fale ultradźwiękowe. Na przykład dalmierze ultradźwiękowe i przyrządy do pomiaru poziomu mogą być realizowane za pomocą fal ultradźwiękowych. Testy ultradźwiękowe są często szybkie, wygodne, proste do obliczenia, łatwe do uzyskania kontroli w czasie rzeczywistym i mogą spełniać praktyczne wymagania przemysłowe pod względem dokładności pomiaru, dlatego są również szeroko stosowane przy opracowywaniu robotów mobilnych. Aby robot mobilny mógł automatycznie omijać przeszkody i chodzić, musi być wyposażony w system pomiaru odległości, dzięki któremu będzie w stanie w porę uzyskać informację o odległości (odległość i kierunek) od przeszkody. Trójkierunkowy (przód, lewy i prawy) ultradźwiękowy system pomiaru odległości wprowadzony w tym artykule ma dostarczać robotowi informacji o odległości ruchu, aby mógł zrozumieć swoje otoczenie z przodu, z lewej i prawej strony.

Po drugie, zasada ultradźwiękowy przetwornik odległości

1. Generator ultradźwiękowy

Aby badać i wykorzystywać ultradźwięki, zaprojektowano i wykonano wiele generatorów ultradźwięków. Ogólnie rzecz biorąc, generatory ultradźwiękowe można podzielić na dwie kategorie: jedna służy do generowania fal ultradźwiękowych w sposób elektryczny, a druga do generowania fal ultradźwiękowych w sposób mechaniczny. Metody elektryczne obejmują piezoelektryczne, magnetostrykcyjne i elektryczne itp.; metody mechaniczne obejmują flet, gwizdek płynny i gwizdek powietrzny. Częstotliwość, moc i charakterystyka dźwiękowa wytwarzanych przez nie fal ultradźwiękowych są różne, więc ich zastosowania są również różne. Obecnie coraz powszechniej stosuje się piezoelektryczny generator ultradźwiękowy.

2. Zasada działania piezoelektrycznego generatora ultradźwiękowego

Piezoelektryczny generator ultradźwiękowy faktycznie wykorzystuje do pracy rezonans kryształu piezoelektrycznego. Pokazano wewnętrzną strukturę generatora ultradźwiękowego. Posiada dwa wafle piezoelektryczne i płytkę rezonansową. Kiedy do jego dwóch biegunów zostanie przyłożony sygnał impulsowy, którego częstotliwość jest równa naturalnej częstotliwości oscylacji płytki piezoelektrycznej, płytka piezoelektryczna będzie rezonować i wprawi płytkę rezonansową w drgania, generując fale ultradźwiękowe. I odwrotnie, jeśli między dwiema elektrodami nie zostanie przyłożone napięcie, gdy płyta rezonansowa odbierze fale ultradźwiękowe, dociśnie chip piezoelektryczny, aby wibrował i zamienił energię mechaniczną na sygnały elektryczne, a następnie stanie się odbiornikiem ultradźwiękowym.

3. Zasada przetwornik ultradźwiękowy do pomiaru odległości

Nadajnik ultradźwiękowy emituje fale ultradźwiękowe w określonym kierunku i rozpoczyna odliczanie czasu w tym samym czasie, co czas uruchomienia. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w powietrzu i natychmiast powracają, gdy na swojej drodze napotkają przeszkodę. Odbiornik ultradźwiękowy zatrzymuje odmierzanie czasu natychmiast po odebraniu fal odbitych. Prędkość propagacji fali ultradźwiękowej w powietrzu wynosi 340m/s. Na podstawie czasu t zarejestrowanego przez licznik czasu można obliczyć odległość punktu startu od przeszkody(y) wynoszącą: s=340t/2

Rysunek 1 Struktura czujnika ultradźwiękowego

Jest to tak zwana metoda wyznaczania odległości różnicy czasu.

Po trzecie, konstrukcja obwodu ultradźwiękowego przetwornika odległości

Cechą charakterystyczną tego systemu jest zastosowanie jednoukładowego mikrokomputera do sterowania transmisją fal ultradźwiękowych i synchronizacją czasu przepływu fal ultradźwiękowych od transmisji do odbioru. Wybór jednego chipa jest ekonomiczny i łatwy w użyciu, a na chipie znajduje się pamięć ROM 4K ułatwiająca programowanie. Pokazano schemat obwodu. Rysowany jest tylko schemat okablowania przedniego obwodu zmiany biegów, a lewy i prawy obwód zmiany biegów są takie same jak przedni obwód zmiany biegów.

1. Generowanie impulsów 40 kHz i emisja ultradźwiękowa

W czujniku ultradźwiękowym w układzie pomiaru odległości zastosowano piezoelektryczny czujnik ceramiczny UCM40, a jego napięcie robocze to sygnał impulsowy o częstotliwości 40 kHz, generowany przez jednoukładowy komputer wykonujący poniższy program.

Zacisk wejściowy przedniego obwodu pomiarowego jest podłączony do portu P1.0 mikrokomputera jednoukładowego. Po wykonaniu powyższego programu mikrokomputer jednoukładowy wysyła na port P1.0 sygnał impulsowy o częstotliwości 40 kHz, który jest wzmacniany przez tranzystor T, steruje nadajnikiem ultradźwiękowym UCM40T i wysyła impulsowe fale ultradźwiękowe o częstotliwości 40 kHz. I kontynuuj transmisję przez 200 ms. Końce wejściowe prawego i lewego obwodu zakresowego są podłączone odpowiednio do portów P1.1 i P1.2, a zasada działania jest taka sama jak w przypadku przedniego obwodu pomiarowego.

2. Odbiór i przetwarzanie ultradźwiękowe

Głowica odbiorcza przyjmuje UCM40R w połączeniu z głowicą nadawczą, Czujnik ultradźwiękowy przetwarza modulowany impuls ultradźwiękowy na sygnał napięcia przemiennego, który jest wzmacniany przez wzmacniacze operacyjne IC1A i IC1B, a następnie dodawany do IC2. IC2 to zintegrowany blok dekodujący dźwięk LM567 z zamkniętą pętlą. Częstotliwość środkowa wewnętrznego oscylatora sterowanego napięciem wynosi f0=1/1,1R8C3, a kondensator C4 określa jego szerokość pasma blokowania. Dostosowując R8 na częstotliwości nośnej nadawczej, sygnał wejściowy LM567 jest większy niż 25 mV, a pin wyjściowy 8 zmienia się z poziomu wysokiego na niski, który jest używany jako sygnał żądania przerwania i wysyłany do mikrokontrolera w celu przetworzenia.

Zacisk wyjściowy przedniego obwodu zakresowego jest podłączony do portu MCU INT0, priorytet przerwania jest najwyższy, wyjście lewego i prawego obwodu zakresowego jest podłączone do portu MCU INT1 poprzez wyjście bramki AND IC3A, natomiast MCU P1.3 i P1.4 są podłączone do wejścia IC3A. Na końcu identyfikacja źródła przerwania jest obsługiwana przez zapytanie programu, a priorytet przerwania jest najpierw prawy, a potem lewy.