Usar el conocimiento de la comunicación digital para diseñar sistemas de alcance
1. Sensor ultrasónico y su principio de alcance
Las ondas ultrasónicas se refieren a ondas mecánicas con una frecuencia superior a 20 KHz [1]. Para utilizar ondas ultrasónicas como método de detección, es necesario generar ondas ultrasónicas y recibir ondas ultrasónicas. El dispositivo que hace esto es un sensor ultrasónico, a menudo llamado transductor ultrasónico o sonda ultrasónica. Los sensores ultrasónicos tienen un transmisor y un receptor, pero los sensores ultrasónicos también pueden tener la doble función de enviar y recibir ondas sonoras. Los sensores ultrasónicos utilizan el principio del efecto piezoeléctrico [1] para convertir la energía eléctrica y las ondas ultrasónicas entre sí.
Conversión, es decir, al emitir ondas ultrasónicas, convierte la energía eléctrica y emite ondas ultrasónicas al recibir un eco, las vibraciones ultrasónicas se convierten en señales eléctricas;
El principio de alcance ultrasónico generalmente adopta TOF (tiempo de vuelo) [2]. Primero, mida el tiempo desde que se lanza la onda ultrasónica hasta que regresa cuando encuentra un obstáculo, y luego multiplíquelo por la velocidad de la onda ultrasónica para obtener el doble de la distancia desde la fuente de sonido hasta el obstáculo, que es
1. Diseño de circuito de hardware
El sistema de alcance ultrasónico que diseñamos consta de sensores Polaroid serie 600, módulos de alcance ultrasónico Polaroid serie 6500 y un microcontrolador AT89C51.
Sensor 2.1 Polaroid serie 600
Este sensor ultrasónico es un sensor que integra envío y recepción. Hay una lámina circular en el sensor, que está hecha de plástico con una película metálica en el frente y una placa de respaldo de aluminio en la parte posterior. La placa delgada y la placa de respaldo forman el capacitor. Cuando se aplica un voltaje de onda cuadrada con una frecuencia de 49,4 kHz y un voltaje de 300 VCA pk-pk a la placa delgada, la placa delgada vibra a la misma frecuencia, generando así ondas ultrasónicas con una frecuencia de 49,4 kHz al recibir el eco. , la Polaroid 6500 tiene un circuito de sintonización, por lo que sólo se pueden recibir señales con frecuencias cercanas a 49,4 kHz y las señales de otras frecuencias se filtran.
La onda ultrasónica emitida por el sensor ultrasónico Polaroid 600 tiene un ángulo de haz de 30 grados [3], como se muestra en la Figura 1:
Figura 1° ángulo de haz
El sensor ultrasónico se puede utilizar como transmisor o receptor. El sensor emite una serie de haces ultrasónicos durante un período de tiempo y solo puede comenzar a recibir después de que se completa la transmisión. Si el tiempo de envío del haz es d, entonces la señal reflejada por el objeto dentro de d tiempo no se puede capturar. Además, el sensor ultrasónico tiene un cierto grado de inercia y todavía queda una cierta cantidad de vibración residual después de la transmisión. Esta vibración residual también genera una señal de voltaje a través del sensor, interfiriendo con la capacidad del sistema para capturar la señal de retorno. Por lo tanto, el sistema no puede empezar a recibir ecos hasta que desaparezcan las réplicas. Las dos razones anteriores hacen que el sensor ultrasónico tenga un cierto rango de medición. Esta ecografía puede medir hasta 37cm recientemente.
2.2 Módulo de distancia ultrasónico Polaroid serie 6500
El circuito de hardware del módulo de distancia ultrasónico Polaroid serie 6500 se muestra en la Figura 2:
Figura 2 Polaroid serie 6500 Circuito de hardware del módulo de rango ultrasónico
TL851 es un circuito integrado de control de rango digital económico de 12 pasos. En su interior hay un oscilador de cristal cerámico de 420 KHz. Cuando el módulo de distancia ultrasónico de la serie 6500 comienza a funcionar, en los primeros 16 ciclos de transmisión, el oscilador de cristal cerámico se divide por 8,5 para formar una señal ultrasónica de 49,4 KHz, que luego se transmite a través del transistor Q1 y el transformador T1 al sensor ultrasónico. Después del envío, el microcontrolador realiza una sincronización por división de frecuencia de 4,5 en el oscilador de cristal cerámico. TL852 es un chip especialmente diseñado para recibir ondas ultrasónicas. Dado que la señal ultrasónica devuelta es débil, es necesario amplificarla antes de que el microcontrolador pueda recibirla.
TL852 proporciona principalmente un circuito amplificador. Cuando el TL852 recibe cuatro señales de pulso, envía un nivel alto al TL851 a través de REC, lo que indica que se han recibido ondas ultrasónicas.
2.3 Microcontrolador AT89C51
Este sistema utiliza AT89C51 para controlar sensores Polaroid serie 600 y módulos de rango ultrasónico Polaroid serie 6500. El microcontrolador controla la emisión de ondas ultrasónicas a través del convertidor de frecuencia a través del pin P1.0, y luego el microcontrolador detecta continuamente el pin INT0. Cuando el nivel del pin INT0 cambia de nivel alto a nivel bajo, se considera que la onda ultrasónica ha regresado. El dato contado por el contador es el tiempo ultrasónico. Mediante la conversión, se puede obtener la distancia entre el sensor y el obstáculo. El diagrama esquemático del hardware del alcance ultrasónico se muestra en la Figura 3:
Figura 3 El diagrama esquemático del hardware del alcance ultrasónico
Diseño del software del sistema
Programa del sistema. flujo La imagen se muestra en la Figura 4:
Figura 4 Diagrama de flujo del programa de rango ultrasónico
Cuando está en funcionamiento, el microprocesador AT89C51 primero configura P1.0, inicia el sensor ultrasónico para emitir ondas ultrasónicas. , y comienza El temporizador interno T0 comienza a cronometrar. Debido a que el sensor ultrasónico que utilizamos está integrado con el transmisor y el receptor, todavía hay réplicas en el sensor ultrasónico después de enviar 16 pulsos. Para identificar y eliminar la señal emitida por el sensor ultrasónico de la señal de eco, es necesario detectar la señal de eco 2,38 ms después de comenzar a transmitir la señal, para suprimir la interferencia de salida. Cuando la señal ultrasónica choca contra un obstáculo, la señal regresa inmediatamente y el microprocesador continúa escaneando el pin INT0. Si la señal recibida por INT0 cambia de nivel alto a nivel bajo, indica que la señal ha regresado y el microprocesador ingresa al temporizador de apagado por interrupción. Luego, los datos del temporizador se pueden convertir para obtener la distancia entre el sensor ultrasónico y el obstáculo.
4. Procesamiento de datos experimentales
Debido a la influencia de la temperatura ambiente y la humedad, siempre existe una cierta desviación entre el valor medido del sensor ultrasónico y el valor real. La Tabla 1 enumera los valores medidos y los valores reales correspondientes del sistema de medición de alcance ultrasónico:
Tabla 1. Valores medidos y valores reales del sistema de medición de alcance ultrasónico Unidad: cm
De la tabla Se puede ver en los datos que el valor medido es siempre unos 7 cm mayor que el valor real. Después del análisis, hay tres razones principales: por un lado, los datos medidos por el sensor ultrasónico se ven afectados por la temperatura ambiente, por otro lado, la instrucción tarda un cierto tiempo en ejecutarse, lo que hace que los datos de medición sean demasiado grandes; , para evitar interferencias de otras señales, cuando el microcontrolador comienza a contar, el circuito controlador envía 16 trenes de pulsos. Para el modo de eco único, el circuito de conducción deja de contar cuando recibe el cuarto pulso devuelto por el obstáculo, por lo que el tiempo final medido es cuatro pulsos más que el tiempo correspondiente a la distancia real. Para reducir la desviación entre los valores medidos y los valores reales, utilizamos el método de mínimos cuadrados [4 ~ 5] para corregir los datos de la Tabla 1. Después del ajuste, obtenemos la siguiente ecuación:
Y=1.0145x-9.3354 (donde: Y es el valor real y X es el valor medido).
La relación correspondiente entre los valores medidos y los valores reales del sistema de medición de rango ultrasónico mejorado se muestra en la Tabla 2:
Tabla 2 Los valores medidos y los valores reales del sistema de rango ultrasónico mejorado: cm
Se puede ver en los datos corregidos que el error de medición del sistema está dentro de 2, lo que cumple con nuestros requisitos de medición.
5. Conclusión
El uso de sensores ultrasónicos para medir la distancia es principalmente para garantizar la confiabilidad y estabilidad del diseño del circuito. A través de experimentos y análisis, creemos que la medición de distancia utilizando el módulo de distancia de la serie 6500 y el sensor ultrasónico de la serie 600 es simple, económica y confiable, y el error de los datos de medición es relativamente pequeño.