plan produkcji dalmierza ultradźwiękowego

Dalmierz ultradźwiękowy wykorzystuje obwód NE555, dwustopniowy obwód wzmacniacza i obwód porównywania poziomów w celu realizacji transmisji i odbioru fal ultradźwiękowych. Komparator jest podstawową jednostką dalmierza, która realizuje sterowanie obwodem nadawczym i przetwarzanie odebranych danych. System ten ma dużą wartość praktyczną i dobre perspektywy rynkowe.

Ogólny plan

1.1 Alternatywy

Rozwiązanie 1: Dalmierz ultradźwiękowy wykorzystuje moduły dyskretne

System składa się z pięciu części: modułu ultradźwiękowego pomiaru odległości, modułu cyfrowego wyświetlacza LED, modułu sterującego modułem napędowym i zasilacza.

Ultradźwiękowy czujnik modułu odległości składa się głównie z części nadawczej i części odbiorczej. Transmisją małego przetwornika ultradźwiękowego steruje główny sterownik (jak pokazano na rysunku 1); przetwornik ultradźwiękowy rezonuje z częstotliwością 40 kHz, a moduł posiada obwód generujący falę prostokątną 40 kHz.

Moduł wyświetlacza to 8-cyfrowy segmentowy cyfrowy wyświetlacz LCD; wyświetlanie wyniku pomiaru wykorzystuje trzycyfrowy kod pola, format to X punktów XX metrów, a do wyświetlania liczby danych używany jest dwucyfrowy kod segmentowy.

Zasilacz przyjmuje napięcie wejściowe 9 V DC. Po lampie regulatora napięcia do różnych części systemu stosowane są zasilacze 5 V i 3,3 V.

Rysunek 1 Struktura ultradźwiękowego czujnika odległości

Schemat 2: Dalmierz ultradźwiękowy oparty na mikrokontrolerze PIC16F876A.

Dalmierz ultradźwiękowy opiera się głównie na jednoukładowym mikrokomputerze PIC16F876A. Jego nadajnik wykorzystuje rezonans kryształu piezoelektrycznego do wprawiania otaczającego powietrza w wibracje do pracy. Nadajnik ultradźwiękowy emituje fale ultradźwiękowe w określonym kierunku i rozpoczyna odmierzanie czasu w tym samym momencie, gdy fale ultradźwiękowe znajdują się w powietrzu. Propagacja, powróci natychmiast, gdy napotka na swojej drodze przeszkodę, a odbiornik ultradźwiękowy przestanie odliczać czas, gdy odbierze falę odbitą. W normalnych warunkach prędkość propagacji fal ultradźwiękowych w powietrzu wynosi 340 m/s. Na podstawie czasu t zarejestrowanego przez licznik czasu można obliczyć odległość punktu startu od przeszkody, czyli s=340&TImes;t/2, co jest powszechnie stosowaną metodą pomiaru odległości metodą różnicy czasu.

Przy projektowaniu obwodu zliczającego odległość przyjęto odpowiednią metodę zliczania. Główną zasadą ultradźwiękowego czujnika przetwornika jest to, że jednoukładowy układ mikrokomputerowy najpierw podczas pomiaru dostarcza sygnały impulsowe do obwodu przetwornika, a jednoukładowy licznik znajduje się w stanie oczekiwania i nie liczy; gdy sygnał jest przesyłany przez pewien czas, jednoukładowy mikrokomputer wysyła sygnał, co powoduje, że system wyłącza nadawany sygnał, a licznik rozpoczyna zliczanie, aby na początku osiągnąć synchronizację; gdy nadejdzie ostatni impuls odebranego sygnału, licznik przestaje zliczać.

Dwukierunkowy dalmierz ultradźwiękowy składa się głównie z kilku części (jak pokazano na rysunku 2): modułu wyświetlacza LED, układu PIC16F876A, modułu nadajnika ultradźwiękowego, modułu odbiornika ultradźwiękowego, modułu zasilania i pozostałych pięciu modułów.

Rysunek 2 Ogólny schemat blokowy projektu systemu

1.2 Wybór schematu

 Ponieważ konstrukcja tego ultradźwiękowego przetwornika powietrza jest obwodem cyfrowo-analogowym i biorąc pod uwagę, że programowanie MCU nie jest znane członkom zespołu, debugowanie będzie napotykać większe trudności. Obwody według schematu 1 są budowane w oparciu o zdobytą wiedzę, a zasady są stosunkowo znane, dlatego przyjęto schemat 1 z bardziej skomplikowanymi obwodami sprzętowymi.

➡Projekt i wykonanie

Dalmierz ultradźwiękowy działa w oparciu o charakterystykę fal ultradźwiękowych odbitych w wyniku napotkania przeszkód. Nadajnik ultradźwiękowy emituje fale ultradźwiękowe w określonym kierunku i rozpoczyna odliczanie czasu w tym samym czasie, co transmisja. Fale ultradźwiękowe rozchodzą się w powietrzu i natychmiast powracają, gdy na swojej drodze napotkają przeszkodę. Odbiornik ultradźwiękowy natychmiast przerywa i zatrzymuje odmierzanie czasu po odebraniu fal odbitych. Detekując w sposób ciągły echa odbite od przeszkód napotkanych po wyemitowaniu wygenerowanej fali, mierzy się różnicę czasu T pomiędzy transmitowaną falą ultradźwiękową a odebranym echem, a następnie uzyskuje się odległość L. Podstawowy wzór na przesunięcie to: L=(△t/2)*C

gdzie L jest odległością, którą należy zmierzyć

T — odstęp czasu między falą transmitowaną a falą odbitą

C —— Prędkość dźwięku ultradźwięków w powietrzu, która w temperaturze pokojowej wynosi 340 m/s

Po określeniu prędkości dźwięku można uzyskać L, o ile mierzy się czas podróży fali ultradźwiękowej w obie strony.

2.1 Zasada pomiaru ultradźwiękowego

2.1.1 Część uruchamiająca

Rysunek 3 Schemat struktury emisji ultradźwiękowej składa się z dwóch układów scalonych 555. IC1 (555) stanowi generator sygnału impulsu ultradźwiękowego, wzór na obliczenie cyklu roboczego jest następujący, w rzeczywistym obwodzie wystąpią pewne różnice z powodu błędów, takich jak komponenty.

Warunki: RA = 9,1 MΩ, RB = 150 KΩ, C = 0,01 μF

TL = 0,69 x RB x C = 0,69 x 150 x 103 x 0,01 x 10-6 = 1 ms

TH = 0,69 x (RA + RB) x C = 0,69 x 9250 x 103 x 0,01 x 10-6 = 64 ms

IC2 stanowi ultradźwiękowy generator sygnału nośnego. Sterowany sygnałem impulsowym wyprowadzanym przez układ IC1, generuje impuls o czasie trwania 1 ms i częstotliwości 40 kHz, cyklu pracy wynoszącym 50% i zatrzymaniu na 64 ms. Obliczono w następujący sposób:

Warunki: RA =1,5KΩ, RB=15KΩ, C=1000pF

TL = 0,69 x RB x C = 0,69 x 15 x 103 x 1000 x 10-12 = 10 μs

TH = 0,69 x (RA + RB) x C = 0,69 x 16,5 x 103 x 1000 x 10-12 = 11 μs

F = 1/(TL + TH) = 1/((10,35 + 11,39) x 10-6) = 46,0 kHz

IC3 (CD4069) stanowi obwód napędowy ultradźwiękowej głowicy nadawczej.