Opracowanie cyfrowego dalmierza ultradźwiękowego
Fale ultradźwiękowe rozchodzą się z różną prędkością w gazach, cieczach i ciałach stałych. Mają dobrą kierunkowość, skoncentrowaną energię, małe tłumienie podczas transmisji i duże możliwości odbicia. Fale ultradźwiękowe mogą rozchodzić się kierunkowo z określoną prędkością i tworzyć odbicia w przypadku napotkania przeszkód. Korzystając z tej charakterystyki, można obliczyć rzeczywistą odległość, mierząc czas potrzebny na powrót fal ultradźwiękowych, uzyskując w ten sposób bezdotykowy pomiar odległości obiektu. Pomiar ultradźwiękowy jest szybki, wygodny i niezależny od czynników takich jak światło. Jest szeroko stosowany w pomiarach poziomu hydrologicznego, pomiarach na placu budowy, monitorowaniu lokalizacji na miejscu, wykrywaniu przeszkód cofania pojazdu, wykrywaniu i pozycjonowaniu wejścia maszyny mobilnej oraz w innych dziedzinach. Cyfrowy dalmierz ultradźwiękowy zaprojektowany w tym artykule zlicza impulsy zegarowe o określonej częstotliwości wejściowej do licznika podczas czasu przepływu ultradźwiękowego w obie strony, a następnie wyświetla odpowiednią odległość pomiaru.
Skład obwodu i zasada działania dalmierza ultradźwiękowego
Dalmierz ultradźwiękowy składa się z obwodu generującego ultradźwięki, obwodu wzmacniacza odbiorczego ultradźwiękowego oraz obwodu zliczającego i wyświetlającego.
Obwód generujący ultradźwięki
Podwójny timer EN556 (U2b) tworzy wyzwalacz monostabilny. R6 i C6 tworzą obwód różnicowy, a jego funkcja jest następująca: po naciśnięciu przycisku S2 niski poziom staje się dodatnim i ujemnym impulsem szczytowym, a ujemny impuls szczytowy uzyskiwany jest przez VD1, powodując przełączenie wyzwalacza monostabilnego. Wysoki poziom monostabilnego wyjścia typu flip utrzymuje się przez około 1 ms, czyli tw≈1,1R5C5≈1ms. EN556 (U2n) tworzy multiwibrator o częstotliwości oscylacji f1=1/T1≈1/{0.7[(R1+R2)+2(R{{22 }}R4)]C3≈40kHz. Oscylacje oscylatora są kontrolowane przez monostabilny poziom wyjściowy typu flip-flop. Kiedy wyzwalacz monostabilny generuje wysoki poziom, multiwibrator oscyluje, a pin 5 EN556 generuje około 40 prostokątnych impulsów o częstotliwości 40 kHz i cyklu pracy około 50%. Biorąc pod uwagę, że multiwibrator jest niestabilny na etapie rozruchu, zaprojektowano go tak, aby generował większą liczbę m impulsów. Jeżeli liczba impulsów wyjściowych będzie zbyt mała, intensywność emisji będzie mała, a odległość pomiaru będzie krótka. Sonda czujnika wilgotności, elektryczna rura grzewcza ze stali nierdzewnej, czujnik PT100, grzejnik z odlewu aluminiowego, zawór elektromagnetyczny płynu w wężownicy grzewczej. Jednakże liczba impulsów jest zbyt duża, a czas trwania emisji jest długi. Kiedy odległość do mierzonego obiektu jest mała, ciąg impulsów nie został całkowicie przesłany, co powoduje, że echo generowane przez impuls przesłany jako pierwszy dotrze do końca odbiorczego, wpływając na wyniki pomiaru odległości i powodując zwiększenie martwej strefy pomiaru. U1a~U1e z 74HC04 (U1) tworzą obwód napędu impulsów ultradźwiękowych, który może zwiększyć amplitudę napięcia impulsu napędzającego czujnik ultradźwiękowy, skutecznie przeprowadzić konwersję elektryczną/akustyczną, zwiększyć zdolność do przesyłania fal ultradźwiękowych i zwiększyć pomiar dystans. Jedna ścieżka ciągu impulsów 40 kHz jest odwracana przez U1a, a następnie odwracana przez falownik podłączony równolegle pomiędzy U1b i U1e; druga ścieżka jest odwracana poprzez falownik podłączony równolegle pomiędzy U1c i U1d.
