Αναπτύχθηκε ψηφιακός μετρητής απόστασης υπερήχων
1. Εισαγωγή
Τα υπερηχητικά κύματα διαδίδονται με διαφορετικές ταχύτητες σε αέρια, υγρά και στερεά, με καλή κατευθυντικότητα, συγκεντρωμένη ενέργεια, ελάχιστη εξασθένηση κατά τη μετάδοση και ισχυρή ικανότητα ανάκλασης. Τα υπερηχητικά κύματα μπορούν να διαδοθούν με μια ορισμένη ταχύτητα και να σχηματίσουν αντανακλάσεις όταν συναντούν εμπόδια. Χρησιμοποιώντας αυτό το χαρακτηριστικό, η πραγματική απόσταση μπορεί να υπολογιστεί μετρώντας το χρόνο που χρειάζεται για τα υπερηχητικά κύματα να ταξιδέψουν εμπρός και πίσω, επιτυγχάνοντας έτσι τη μέτρηση της απόστασης χωρίς επαφή των αντικειμένων. Η εμβέλεια υπερήχων είναι γρήγορη, βολική και δεν επηρεάζεται από παράγοντες όπως το φως. Χρησιμοποιείται ευρέως στη μέτρηση της υδρολογικής στάθμης υγρού, στη μέτρηση εργοταξίου, στην παρακολούθηση θέσης επί τόπου, στην ανίχνευση οπισθοδρομικών εμποδίων οχήματος, στην ανίχνευση και τοποθέτηση κινητής μηχανής και σε άλλα πεδία. Ο ψηφιακός υπερηχητικός αποστασιόμετρο που σχεδιάστηκε σε αυτό το άρθρο μετράει τους παλμούς ρολογιού που εισέρχονται σε μια συγκεκριμένη συχνότητα του μετρητή κατά τη διάρκεια του χρόνου μετ' επιστροφής υπερήχων και εμφανίζει την αντίστοιχη απόσταση μέτρησης.
2. Σύνθεση κυκλώματος και αρχή λειτουργίας του υπερηχητικού αποστασιόμετρου
Ο μετρητής απόστασης υπερήχων αποτελείται από ένα κύκλωμα παραγωγής υπερήχων, ένα κύκλωμα ενίσχυσης λήψης υπερήχων, ένα κύκλωμα μέτρησης και απεικόνισης.
2.1 Κύκλωμα παραγωγής υπερήχων
Κύκλωμα παραγωγής υπερήχων. Ο διπλός χρονοδιακόπτης EN556 (U2b) σχηματίζει μια μονοσταθερή σκανδάλη. Τα R6 και C6 σχηματίζουν ένα διαφορικό κύκλωμα, το οποίο λειτουργεί ως εξής: όταν πατηθεί το κουμπί S2, η χαμηλή στάθμη γίνεται θετικός και αρνητικός παλμός ακίδας, ο οποίος διέρχεται από το VD1 για να λάβει έναν αρνητικό παλμό ακίδας, ενεργοποιώντας ένα μονοσταθερό αναποδογυρισμό της σκανδάλης. Η διάρκεια υψηλού επιπέδου της μονοσταθερής εξόδου αναστροφής είναι περίπου 1ms, που είναι tw ≈ 1.1R5C5 ≈ 1ms. Το EN556 (U2n) σχηματίζει έναν πολυαρμονικό ταλαντωτή με συχνότητα ταλάντωσης f1=1/T1 ≈ 1/{0.7 [(R1+R2)+2 (R 3+R4)] C3 ≈ 40 kHz. Η ταλάντωση του ταλαντωτή ελέγχεται από το επίπεδο εξόδου της μονοσταθερής σκανδάλης. Όταν η μονοσταθερή σκανδάλη εξάγει υψηλό επίπεδο, ο πολυαρμονικός ταλαντωτής ταλαντώνεται, ο ακροδέκτης 5 του EN556 εξάγει περίπου 40 ορθογώνιους παλμούς με συχνότητα 40 kHz και κύκλο λειτουργίας περίπου 50%. Λαμβάνοντας υπόψη την αστάθεια του αρχικού σταδίου ενός πολυαρμονικού ταλαντωτή, σχεδιάζεται ένας μεγαλύτερος αριθμός παλμών εξόδου. Εάν ο αριθμός των παλμών εξόδου είναι πολύ μικρός, η ένταση εκπομπής είναι χαμηλή και η απόσταση μέτρησης μικρή. Ο αισθητήρας του αισθητήρα υγρασίας, ο αισθητήρας ηλεκτρικού σωλήνα θέρμανσης από ανοξείδωτο χάλυβα PT100, ο θερμαντήρας από χυτό αλουμίνιο, η ηλεκτρομαγνητική βαλβίδα υγρού πηνίου θέρμανσης, αλλά ο αριθμός των παλμών είναι πολύ υψηλός και η διάρκεια εκπομπής μεγάλη. Όταν η απόσταση από το μετρούμενο αντικείμενο είναι κοντά, η σειρά παλμών δεν εκπέμπεται πλήρως, γεγονός που προκαλεί την ηχώ που δημιουργείται από τον πρώτο εκπεμπόμενο παλμό να φτάσει στο άκρο λήψης, επηρεάζοντας το αποτέλεσμα εμβέλειας και αυξάνοντας το τυφλό σημείο της εμβέλειας. Το U1a~U1e του 74HC04 (U1) σχηματίζει ένα κύκλωμα οδήγησης υπερήχων παλμού, το οποίο μπορεί να αυξήσει το πλάτος της τάσης παλμού του αισθητήρα υπερήχων οδήγησης, να εκτελέσει αποτελεσματικά ηλεκτρική/ακουστική μετατροπή, να ενισχύσει την ικανότητα εκπομπής υπερηχητικών κυμάτων και να αυξήσει την απόσταση μέτρησης. Ο παλμικός συρμός 40 kHz αναστρέφεται μέσω του U1a και στη συνέχεια αναστρέφεται μέσω των παράλληλων μετατροπέων U1b και U1e. Ο άλλος τρόπος είναι μέσω της αντίστροφης φάσης των παράλληλων μετατροπέων U1c και U1d στο νότο.
