Progettazione dettagliata del circuito elettronico per la misurazione della distanza mediante ultrasuoni

- Mar 22, 2019-

Nel sistema autonomo dei robot ambulanti, al fine di camminare in ambienti sconosciuti e incerti, il robot deve raccogliere informazioni ambientali in tempo reale al fine di evitare ostacoli e navigare, che devono fare affidamento sul sistema di sensori in grado di realizzare la percezione delle informazioni ambientali. Sensori come visione, infrarossi, laser e ultrasuoni sono ampiamente utilizzati nei robot da passeggio. Grazie al suo equipaggiamento semplice, al prezzo economico, alle dimensioni ridotte, al design semplice, al controllo in tempo reale facile da raggiungere e in grado di soddisfare i requisiti dell'applicazione industriale nella misurazione della distanza e dell'accuratezza di misurazione, il metodo di misurazione a ultrasuoni è stato ampiamente utilizzato. Il robot introdotto in questo documento adotta un sistema di scansione a ultrasuoni tripartito, che può fornire informazioni sulla distanza del robot per riconoscere gli ambienti anteriori, sinistro e destro del suo movimento.




Principio della gamma ultrasonica




La parte interna del generatore di ultrasuoni è composta da due piastre piezoelettriche e una piastra di risonanza. Quando il segnale di impulso esterno viene applicato ai suoi due poli e la sua frequenza è uguale alla frequenza di oscillazione naturale del wafer piezoelettrico, il wafer piezoelettrico risuonerà e guiderà la piastra di risonanza a vibrare, e quindi l'onda ultrasonica verrà generata. Viceversa, se non c'è tensione esterna tra i due poli, quando la piastra di risonanza riceve l'onda ultrasonica, diventa il ricevitore a ultrasuoni. Gli ultrasuoni generalmente hanno due metodi: 1. Prendere la tensione media dell'impulso di uscita, che è proporzionale alla distanza, e misurare la distanza misurando la tensione; 2. Misurare la larghezza dell'impulso di uscita, ovvero l'intervallo di tempo t tra la trasmissione e la ricezione degli ultrasuoni, e ottenere la distanza misurando la distanza S = V t? 2. Perché la velocità V degli ultrasuoni è correlata alla temperatura, se la temperatura cambia notevolmente. Dovrebbe essere corretto mediante compensazione della temperatura.




Il secondo metodo è utilizzato in questo sistema di misurazione. Poiché la precisione della misurazione non è particolarmente elevata, si può considerare che la temperatura è sostanzialmente invariata. Questo sistema prende PIC16F877 come nucleo, realizza il controllo in tempo reale del circuito periferico attraverso la programmazione del software e fornisce il segnale necessario al circuito periferico, compreso il segnale di vibrazione di frequenza e il segnale di elaborazione dati, semplificando così il circuito periferico e ha un buon trapianto. Viene mostrato lo schema a blocchi del circuito hardware del sistema.






Schema a blocchi del circuito hardware del sistema




Perché il sistema deve solo sapere se ci sono ostacoli davanti, a sinistra e a destra del robot, e non la distanza specifica tra gli ostacoli e il robot, quindi non è necessario visualizzare il circuito, basta impostare una soglia di distanza, in modo che quando la distanza tra l'ostacolo e il robot raggiunge un determinato valore, il computer a chip singolo controlla il motore del robot da arrestare, che può essere realizzato mediante la programmazione del software.





Circuito di trasmissione ad ultrasuoni




PIC16F877 è il cuore del circuito di trasmissione ad ultrasuoni. Quando l'MCU è acceso, l'MCU genera un segnale ultrasonico da 40 kHz dalla porta RA0. Ma in questo momento, il segnale non può entrare nel circuito di amplificazione attraverso il non-gate per far emettere agli ultrasuoni l'emettitore di ultrasuoni. Solo quando l'interruttore S1 è chiuso, viene emesso un segnale controllato da gate dalla porta RA1. La frequenza del segnale è 4 kHz e il timer TM all'interno dell'MCU è attivato. R1, inizia a contare. Ogni volta che il segnale di gating trasmette un periodo di forma d'onda, l'ultrasuono emetterà 10 forme d'onda complete, che possono essere derivate dalle loro frequenze. Il periodo degli ultrasuoni è 1 (40 kHz) = 01025 ms, mentre il periodo del segnale gating è 1 (4 kHz) = 0125 Ms. Infine, la distanza tra ostacolo e robot mobile viene calcolata in base a s = vt2. Quando il ricevitore a ultrasuoni riceve l'onda ultrasonica riflessa, il contatore interrompe il conteggio e il tempo t può essere calcolato in base al conteggio del contatore e al periodo del segnale gated. La porta RA2 è collegata al trigger RS, il trigger RS può controllare automaticamente l'emissione e l'arresto degli ultrasuoni. Il circuito di questo sistema comprende anche il circuito di reset manuale, che è controllato da MCL pin-to-pin S2, e viene mostrato lo schema del circuito della trasmissione a ultrasuoni.






Diagramma del circuito di emissione ad ultrasuoni




Gated Circuit (RS Trigger)




Per realizzare il controllo automatico della trasmissione e ricezione dell'onda ultrasonica, è necessario aggiungere al circuito un circuito di controllo. La frequenza del segnale di controllo del gate è 4 kHz. Se l'impulso di uscita viene utilizzato come segnale di gate e l'impulso della frequenza nota fc passa attraverso il gate, allora t = NTc, dove Tc è il periodo dell'impulso noto e N è il numero degli impulsi. Il circuito di gate è composto da flip-flop RS, che si azzerano quando l'ingresso R = 1 (S = 0), cioè l'uscita Q = 0, e impostato quando R = 0 (S = 1), cioè Q = 1. RS flip-flop è collegato con la porta RA2 del computer a chip singolo.





Circuito dell'amplificatore ad ultrasuoni




Il circuito di amplificazione ad ultrasuoni è composto da triodi e così via. Poiché la porta RA del computer a chip singolo ha solo una corrente di pull-up da 20 mA a 25 mA al massimo, e il trasmettitore a ultrasuoni ha bisogno di una corrente di almeno 60 mA, un circuito di amplificazione del primo ordine viene aggiunto dietro la non-door per amplificare la corrente per completare la trasmissione degli ultrasuoni. Vedi il circuito di trasmissione dell'amplificazione ultrasonica.






Circuito di ricezione e amplificazione di ultrasuoni




Poiché il segnale ultrasonico ricevuto dal ricevitore ultrasonico è molto debole, dopo di ciò è necessario un circuito amplificatore di ricezione ad ultrasuoni. Il circuito adotta due amplificatori operazionali integrati, che sono progettati come due fasi e due fasi sono input in-fase. Poiché il fattore di amplificazione di tensione dell'ingresso in fase è 1 + RfR, il fattore di amplificazione di ogni stadio è 10 e il fattore di amplificazione di due stadi è vicino a 100 volte. Pertanto, il segnale di ingresso può essere facilmente rilevato dai circuiti successivi. L'amplificatore operazionale integrato è alimentato da una doppia alimentazione. Il circuito dell'amplificatore di ricezione ad ultrasuoni è mostrato in Fig. 4.






Figura 4. Schema circuitale di ricezione e amplificazione ultrasonica




Circuito del filtro del segnale




L'onda sonora dal circuito di amplificazione del segnale presenta alcune interferenze. Per rimuovere il segnale di interferenza, è necessario un circuito di filtro. Il circuito del filtro del segnale utilizza un circuito filtro passa-banda, che ha una frequenza centrale di 40 kHz, una larghezza di banda di 2 kHz e un comparatore a passaggio zero per convertire il segnale di uscita in un segnale a onda quadra. Il circuito di filtraggio del segnale è mostrato in Fig. 5.






Figura 5 Schema del circuito del filtro del segnale




Circuito di modellamento del segnale




La via d'uscita dal circuito del filtro del segnale