Principio: 1. Generador ultrasónico Para estudiar y utilizar ondas ultrasónicas, se han diseñado y fabricado muchos generadores ultrasónicos. En términos generales, los generadores ultrasónicos se pueden dividir en dos categorías: uno son ondas ultrasónicas generadas eléctricamente y el otro son ondas ultrasónicas generadas mecánicamente. Los métodos eléctricos incluyen piezoeléctricos, magnetoestrictivos y eléctricos; los métodos mecánicos incluyen flautas Galton, silbatos para líquidos y flautas giratorias de flujo de aire. Las frecuencias, potencias y características acústicas de las ondas ultrasónicas que generan son diferentes, por lo que sus usos también lo son. Actualmente, se utilizan habitualmente generadores ultrasónicos piezoeléctricos. 2. Principio del generador ultrasónico piezoeléctrico El generador ultrasónico piezoeléctrico en realidad funciona utilizando la resonancia del cristal piezoeléctrico. La estructura interna del generador ultrasónico se muestra en la Figura 1. Tiene dos obleas piezoeléctricas y una placa vibratoria. Cuando se aplica una señal de pulso a sus dos polos con una frecuencia igual a la frecuencia de oscilación natural del chip piezoeléctrico, el chip piezoeléctrico vibrará e impulsará la vibración de la placa, generando así ondas ultrasónicas. Por otro lado, si no se aplica voltaje entre los dos electrodos, cuando la placa vibratoria recibe ondas ultrasónicas, obligará al chip piezoeléctrico a vibrar, convertirá la energía mecánica en señales eléctricas y luego se convertirá en un receptor de ondas ultrasónicas. 3. Principio de alcance ultrasónico: el transmisor ultrasónico emite ondas ultrasónicas en una dirección determinada y comienza a cronometrar al mismo tiempo que la emisión. Las ondas ultrasónicas se propagan en el aire y regresan inmediatamente cuando encuentran obstáculos en el camino. El receptor ultrasónico deja de cronometrar inmediatamente después de recibir las ondas reflejadas. La velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en el aire es de 340 m/s. Según el tiempo t registrado por el cronómetro se puede calcular la distancia (s) entre el punto de emisión y el obstáculo, es decir, s=340t/2. Este es el llamado método de medición de diferencia de tiempo. El principio de la medición ultrasónica es conocer la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en el aire, medir el tiempo en que la onda sonora encuentra un obstáculo después de la transmisión y calcular la distancia real desde la transmisión. señale el obstáculo basándose en la diferencia de tiempo entre la distancia de transmisión y recepción. Se puede ver que el principio del alcance ultrasónico es el mismo que el del radar. La fórmula para medir la distancia es: L=C×T, donde L es la longitud de la distancia medida; c es la velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en el aire; t es la diferencia de tiempo de la propagación de la distancia medida (t es la mitad del valor del tiempo; transmisión a recepción). El alcance ultrasónico se utiliza principalmente para medir distancias en recordatorios de marcha atrás, sitios de construcción, sitios industriales, etc. Aunque el rango actual puede alcanzar los 100 metros, la precisión de la medición sólo puede alcanzar el nivel de centímetros. El ultrasonido tiene las ventajas de una fácil emisión direccional, buena directividad, fácil control de la intensidad y sin contacto directo con el objeto que se mide. Es un método ideal para medir la altura del líquido. En la medición de precisión del nivel de líquido, se requiere una precisión de medición de nivel milimétrico, pero actualmente los ASIC de rango ultrasónico domésticos solo tienen una precisión de medición de nivel centimétrico. Al analizar las causas de los errores de alcance ultrasónico, aumentar la diferencia de tiempo de medición al nivel de microsegundos y utilizar el sensor de temperatura LM92 para compensar la velocidad de propagación de la onda sonora, el telémetro ultrasónico de alta precisión que diseñamos puede lograr una precisión de medición de nivel milimétrico. .
Diseño del circuito:
1. Generación de emisión ultrasónica y pulso de 40 kHz. El sensor ultrasónico en el sistema de medición utiliza un sensor cerámico piezoeléctrico UCM40, cuyo voltaje de funcionamiento es una señal de pulso de 40 kHz, que consta de El microcontrolador ejecuta el siguiente programa para generar. Puzer: MOV 14H, # 12H; la emisión ultrasónica dura 200 ms aquí: CPL P 1.0; salida de onda cuadrada de 40 kHz nopNOPNOPDJNZ 14H, aquí el extremo de entrada del circuito de medición antes de RET está conectado al puerto P1.0 del microcontrolador.
Después de que el microcontrolador ejecuta el programa anterior, emite una señal de pulso de 40 kHz en el puerto P1.0. Después de la amplificación por el transistor T, hace que el transmisor ultrasónico UCM40T emita una onda ultrasónica de pulso de 40 kHz durante 200 ms continuamente. Los circuitos de rango izquierdo y derecho están conectados a los puertos P1.1 y P1.2 respectivamente, el principio de funcionamiento es el mismo que el circuito de rango frontal. 2. Recepción y procesamiento de ondas ultrasónicas. El cabezal receptor utiliza UCM40R que coincide con el cabezal transmisor. Convierte el pulso ultrasónico modulado en una señal de voltaje de CA, que se amplifica mediante los amplificadores operacionales IC1A e IC1B y luego se agrega a IC2. IC2 es un bloque integrado de decodificación de audio LM567 con un bucle bloqueado. La frecuencia central del oscilador interno controlado por voltaje es f0=1/1.1R8C3 y el ancho de banda de bloqueo está determinado por el condensador C4. Al ajustar R8 en la frecuencia portadora de transmisión, la señal de entrada de LM567 es superior a 25 mV y el pin de salida 8 cambia de nivel alto a nivel bajo como una señal de solicitud de interrupción, que se envía al microcontrolador para su procesamiento. El terminal de salida del circuito de rango frontal está conectado al puerto INT0 del microcontrolador y la prioridad de interrupción es la más alta. La salida de los circuitos de rango izquierdo y derecho está conectada al puerto INT1 del microcontrolador a través de la salida de la puerta AND IC3A, mientras que los microcontroladores P1.3 y P1.4 están conectados a los terminales de entrada de IC3A. La identificación de las fuentes de interrupción se procesa mediante consulta del programa y la prioridad de interrupción es de derecha a izquierda. Parte del programa fuente es el siguiente: recibir 1: presione PSW presione ACC clr ex 1; apague la interrupción externa 1JNB P1.1, el pin derecho P1.1 es 0 y vaya al programa de servicio de interrupción del circuito de rango derecho JNB P1; .2, izquierda; el pin P1.2 es 0, gire a la izquierda y el programa de servicio de interrupción del circuito de alcance regresa: setbex 1; active la interrupción externa 1
La historia del desarrollo de este método: con el desarrollo de la robótica Tecnología en tan solo unas pocas décadas después de su nacimiento. Con un rápido desarrollo en los últimos años, su ámbito de aplicación se ha trasladado gradualmente de la producción industrial a la vida de las personas. Una gama tan amplia de aplicaciones hace que sea especialmente importante concienciar a la gente sobre los robots. A través de su sistema de detección, el robot puede detectar la distancia entre los obstáculos que se encuentran delante y el entorno circundante, e implementar funciones como evitar obstáculos, encontrar líneas automáticamente y medir distancias. En comparación con otras tecnologías de medición, la medición ultrasónica tiene las ventajas de bajo costo, alta precisión de medición, ausencia de restricciones ambientales y fácil aplicación. Combinando esto con sensores infrarrojos y grises, el robot puede encontrar líneas y evitar obstáculos. Las ondas ultrasónicas se utilizan a menudo para medir distancias debido a su fuerte directividad, su lento consumo de energía y su larga distancia de propagación en los medios. Se utiliza principalmente en el desarrollo de radares de marcha atrás, medidores de distancia, instrumentos de medición de nivel, robots móviles, sitios de construcción y algunos sitios industriales, como distancia, nivel de líquido, profundidad de pozo, longitud de tubería, caudal, etc. La detección ultrasónica suele ser rápida y conveniente, tiene cálculos simples, es fácil de realizar un control en tiempo real y puede cumplir con los requisitos de las aplicaciones industriales en términos de precisión de medición, por lo que ha sido ampliamente utilizada. La investigación sobre este tema tiene un gran valor práctico y comercial.
El ultrasonido se utiliza a menudo para medir distancias debido a su fuerte directividad, su lento consumo de energía y su larga distancia en el medio. Por ejemplo, los telémetros, medidores de nivel, etc., se pueden lograr mediante ondas ultrasónicas. La detección ultrasónica suele ser rápida, conveniente, simple de calcular, fácil de realizar un control en tiempo real y puede cumplir con los requisitos de las aplicaciones industriales en términos de precisión de medición, por lo que se utiliza en el desarrollo de robots móviles.
También muy utilizado. Para que un robot móvil camine automáticamente para evitar obstáculos, debe estar equipado con un sistema de alcance para que pueda obtener información de distancia (distancia y dirección) de los obstáculos a tiempo. El sistema de alcance ultrasónico proporciona al robot información sobre la distancia de movimiento, lo que le permite comprender el entorno que se encuentra delante, a la izquierda y a la derecha.
Para estudiar y utilizar las ondas ultrasónicas se han diseñado y fabricado numerosos generadores de ultrasonidos. En términos generales, los generadores ultrasónicos se pueden dividir en dos categorías: uno son ondas ultrasónicas generadas eléctricamente y el otro son ondas ultrasónicas generadas mecánicamente. Los métodos eléctricos incluyen piezoeléctricos, magnetoestrictivos y eléctricos; los métodos mecánicos incluyen flautas Galton, silbatos para líquidos y flautas giratorias de flujo de aire. Las frecuencias, potencias y características acústicas de las ondas ultrasónicas que generan son diferentes, por lo que sus usos también lo son. Actualmente, se utilizan habitualmente generadores ultrasónicos piezoeléctricos.