Prezentare detaliată a principiului senzorului de măsurare cu ultrasunete și a designului circuitului traductorului de măsurare cu ultrasunete

Datorită directivității puternice a undelor ultrasonice, consumului lent de energie și distanțelor mari în mediu, undele ultrasonice sunt adesea folosite pentru măsurarea distanței. De exemplu, telemetrul cu ultrasunete și instrumentele de măsurare a nivelului pot fi realizate prin unde ultrasonice. Testarea cu ultrasunete este adesea rapidă, convenabilă, simplu de calculat, ușor de realizat control în timp real și poate îndeplini cerințele practice industriale în ceea ce privește precizia măsurării, așa că a fost utilizată pe scară largă în dezvoltarea roboților mobili. Pentru ca un robot mobil să evite automat obstacolele și să meargă, acesta trebuie să fie echipat cu un sistem de măsurare a distanței, astfel încât să poată obține în timp informațiile despre distanță (distanță și direcție) de la obstacol. Sistemul de măsurare a distanței cu ultrasunete în trei direcții (față, stânga și dreapta) introdus în acest articol este de a oferi informații despre distanța de mișcare pentru ca robotul să-și înțeleagă mediul din față, stânga și dreapta.

În al doilea rând, principiul traductor de distanta cu ultrasunete

1. Generator de ultrasunete

Pentru studiul și utilizarea ultrasunetelor au fost proiectate și realizate multe generatoare de ultrasunete. În general, generatoarele de ultrasunete pot fi împărțite în două categorii: una este de a genera unde ultrasonice electric, iar cealaltă este de a genera unde ultrasonice mecanic. Metodele electrice includ piezoelectrice, magnetostrictive și electrice etc.; metodele mecanice includ fluierul, fluierul lichid și fluierul de aer. Frecvența, puterea și caracteristicile sonore ale undelor ultrasonice pe care le produc sunt diferite, astfel încât utilizările lor sunt și ele diferite. În prezent, generatorul de ultrasunete piezoelectric este mai frecvent utilizat.

2. Principiul generatorului de ultrasunete piezoelectric

Generatorul de ultrasunete piezoelectric folosește de fapt rezonanța unui cristal piezoelectric pentru a funcționa. Este prezentată structura internă a generatorului de ultrasunete. Are două plachete piezoelectrice și o placă de rezonanță. Când un semnal de impuls este aplicat celor doi poli ai săi, a cărui frecvență este egală cu frecvența naturală de oscilație a plachetei piezoelectrice, placa piezoelectrică va rezona și va conduce placa de rezonanță să vibreze pentru a genera unde ultrasonice. Dimpotrivă, dacă nu se aplică tensiune între cei doi electrozi, atunci când placa de rezonanță primește unde ultrasonice, aceasta va apăsa cipul piezoelectric pentru a vibra și a converti energia mecanică în semnale electrice, iar apoi va deveni un receptor ultrasonic.

3. Principiul de traductor ultrasonic pentru măsurarea distanței

Emițătorul cu ultrasunete emite unde ultrasonice într-o anumită direcție și începe cronometrarea în același timp cu ora de lansare. Undele ultrasonice se propagă în aer și revin imediat când întâlnesc obstacole pe drum. Receptorul cu ultrasunete oprește cronometrarea imediat după primirea undelor reflectate. Viteza de propagare a undei ultrasonice în aer este de 340 m/s. După timpul t înregistrat de cronometru se poate calcula distanța dintre punctul de lansare și obstacol(e) și anume: s=340t/2

Figura 1 Structura senzorului cu ultrasunete

Aceasta este așa-numita metodă de măsurare a diferențelor de timp.

În al treilea rând, proiectarea circuitului traductorului cu ultrasunete

Caracteristica acestui sistem este utilizarea unui microcomputer cu un singur cip pentru a controla transmisia undelor ultrasonice și sincronizarea timpului de călătorie dus-întors a undelor ultrasonice de la transmisie la recepție. Selecția cu un singur cip este economică și ușor de utilizat, iar pe cip există un ROM 4K pentru o programare ușoară. Este prezentată schema circuitului. Este desenată doar schema de cablare a circuitului de control frontal, iar circuitele de reglare din stânga și dreapta sunt aceleași cu circuitul de control frontal.

1. Generare de impulsuri de 40 kHz și emisie de ultrasunete

Senzorul cu ultrasunete din sistemul de măsurare a distanței adoptă senzorul ceramic piezoelectric al UCM40, iar tensiunea sa de lucru este un semnal de impuls de 40 kHz, care este generat de computerul cu un singur cip care execută următorul program.

Terminalul de intrare al circuitului frontal este conectat la portul P1.0 al microcomputerului cu un singur cip. După ce microcomputerul cu un singur cip execută programul de mai sus, emite un semnal de impuls de 40 kHz la portul P1.0, care este amplificat de tranzistorul T, conduce transmițătorul ultrasonic UCM40T și trimite unde ultrasonice pulsate de 40 kHz. Și continuați să transmiteți 200 ms. Capetele de intrare ale circuitelor de reglare din dreapta și din stânga sunt conectate la porturile P1.1 și, respectiv, P1.2, iar principiul de funcționare este același cu cel al circuitului frontal.

2. Recepție și procesare cu ultrasunete

Capul de recepție adoptă UCM40R asociat cu capul de transmisie, Senzorul transductor ultrasonic convertește impulsul modulat cu ultrasunete într-un semnal de tensiune alternativă, care este amplificat de amplificatoarele operaționale IC1A și IC1B și apoi adăugat la IC2. IC2 este un bloc integrat de decodare audio LM567 cu o buclă blocată. Frecvența centrală a oscilatorului intern controlat de tensiune este f0=1/1.1R8C3, iar condensatorul C4 determină lățimea de bandă de blocare a acestuia. Ajustând R8 pe frecvența purtătorului de transmisie, semnalul de intrare LM567 este mai mare de 25mV, iar pinul de ieșire 8 se schimbă de la nivel înalt la nivel scăzut, care este utilizat ca semnal de solicitare de întrerupere și trimis microcontrolerului pentru procesare.

Terminalul de ieșire al circuitului frontal este conectat la portul MCU INT0, prioritatea întreruperii este cea mai mare, ieșirea circuitului de rang stânga și dreapta este conectată la portul MCU INT1 prin ieșirea porții AND IC3A, în timp ce MCU P1.3 și P1.4 sunt conectate la intrarea IC3A. apoi a plecat.