Детальний огляд принципу ультразвукового датчика дальності та схемної конструкції ультразвукового датчика дальності

Через сильну спрямованість ультразвукових хвиль, повільне споживання енергії та великі відстані в середовищі ультразвукові хвилі часто використовують для вимірювання відстані. Наприклад, ультразвукові далекоміри та рівнеміри можуть бути реалізовані за допомогою ультразвукових хвиль. Ультразвукове тестування часто є швидким, зручним, простим для розрахунків, легким для досягнення контролю в режимі реального часу та може відповідати промисловим практичним вимогам щодо точності вимірювань, тому воно також широко використовується при розробці мобільних роботів. Для того, щоб мобільний робот міг автоматично уникати перешкод і йти, він повинен бути оснащений системою вимірювання відстані, щоб він міг вчасно отримати інформацію про відстань (відстань і напрямок) від перешкоди. Ультразвукова система вимірювання відстані в трьох напрямках (спереду, ліворуч і праворуч), представлена ​​в цій статті, надає роботу інформацію про відстань руху, щоб зрозуміти його оточення спереду, ліворуч і праворуч.

По-друге, принцип ультразвуковий датчик відстані

1. Ультразвуковий генератор

Для вивчення і використання ультразвуку розроблено і виготовлено багато генераторів ультразвуку. Загалом, ультразвукові генератори можна розділити на дві категорії: одна для генерації ультразвукових хвиль електричним способом, а інша для механічної генерації ультразвукових хвиль. Електричні методи — п'єзоелектричні, магнітострикційні, електричні та ін.; механічні методи включають флейту, рідинний свисток і повітряний свисток. Частота, потужність і звукові характеристики ультразвукових хвиль, які вони виробляють, різні, тому їх використання також різне. В даний час більш поширеним є п'єзоелектричний ультразвуковий генератор.

2. Принцип роботи п'єзоелектричного ультразвукового генератора

Для роботи п’єзоелектричного ультразвукового генератора фактично використовується резонанс п’єзоелектричного кристала. Показано внутрішню будову ультразвукового генератора. Він має дві п'єзоелектричні пластини та резонансну пластину. Коли до двох полюсів подається імпульсний сигнал, частота якого дорівнює власній частоті коливань п’єзоелектричної пластини, п’єзоелектрична пластина резонує і змушує резонансну пластину вібрувати, створюючи ультразвукові хвилі. Навпаки, якщо між двома електродами не подається напруга, коли резонансна пластина отримує ультразвукові хвилі, вона буде тиснути на п’єзоелектричний чіп, щоб він вібрував і перетворював механічну енергію в електричні сигнали, а потім став приймачем ультразвуку.

3. Принцип ультразвуковий перетворювач для вимірювання відстані

Ультразвуковий передавач випромінює ультразвукові хвилі в певному напрямку та починає відлік часу одночасно з часом запуску. Ультразвукові хвилі поширюються в повітрі і миттєво повертаються при зустрічі з перешкодами на шляху. Ультразвуковий приймач припиняє вимірювання часу відразу після отримання відбитих хвиль. Швидкість поширення ультразвукової хвилі в повітрі становить 340 м/с. За часом t, зафіксованим таймером, можна розрахувати відстань між точкою старту та перешкодою (s), а саме: s=340t/2

Рисунок 1 Структура ультразвукового датчика

Це так званий метод ранжування різниці в часі.

По-третє, схемотехніка ультразвукового датчика дальності

Особливістю цієї системи є використання однокристального мікрокомп’ютера для керування передачею ультразвукових хвиль і часом проходження ультразвукових хвиль від передачі до прийому. Вибір з одним чіпом є економічним і простим у використанні, а на чіпі є 4K ROM для легкого програмування. Показано принципову схему. Намальовано лише схему з’єднання переднього ланцюга вимірювання дальності, а лівий і правий ланцюги вимірювання дальності є такими ж, як і передній ланцюг вимірювання дальності.

1. Генерація імпульсів 40 кГц і ультразвукове випромінювання

Ультразвуковий датчик у системі вимірювання відстані використовує п’єзоелектричний керамічний датчик UCM40, і його робоча напруга є імпульсним сигналом 40 кГц, який генерується однокристальним комп’ютером, який виконує наступну програму.

Вхідна клема передньої схеми вимірювання дальності підключена до порту P1.0 однокристального мікрокомп'ютера. Після того, як однокристальний мікрокомп’ютер виконає наведену вище програму, він виводить імпульсний сигнал 40 кГц на порт P1.0, який посилюється транзистором T, керує ультразвуковим передавачем UCM40T і посилає імпульсні ультразвукові хвилі 40 кГц. І продовжуйте передавати 200 мс. Вхідні кінці правого та лівого ланцюгів вимірювання дальності підключені до портів P1.1 та P1.2 відповідно, і принцип роботи такий самий, як у передньої схеми вимірювання дальності.

2. Ультразвуковий прийом і обробка

Приймальна головка використовує UCM40R у парі з передавальною головкою, датчик ультразвукового перетворювача перетворює ультразвуковий модульований імпульс у сигнал змінної напруги, який посилюється операційними підсилювачами IC1A та IC1B, а потім додається до IC2. IC2 — інтегрований блок декодування звуку LM567 із замкнутим контуром. Центральна частота внутрішнього генератора, керованого напругою, становить f0=1/1,1R8C3, а конденсатор C4 визначає його смугу пропускання. Регулюючи R8 на несучій частоті передачі, вхідний сигнал LM567 перевищує 25 мВ, а вихідний висновок 8 змінює рівень з високого на низький, який використовується як сигнал запиту на переривання та надсилається на мікроконтролер для обробки.

Вихідний термінал передньої схеми визначення діапазону підключено до порту INT0 MCU, пріоритет переривання є найвищим, вихід лівої та правої схеми вимірювання діапазону підключений до порту INT1 MCU через вихід вентиля AND IC3A, тоді як MCU P1.3 і P1.4 підключені до входу IC3A. Наприкінці ідентифікація джерела переривання обробляється програмним запитом, а пріоритет переривання встановлюється праворуч. а потім пішов.