Phát triển máy đo khoảng cách siêu âm kỹ thuật số
Sóng siêu âm lan truyền với tốc độ khác nhau trong chất khí, chất lỏng và chất rắn. Chúng có khả năng định hướng tốt, năng lượng tập trung, độ suy giảm nhỏ trong quá trình truyền và khả năng phản xạ mạnh. Sóng siêu âm có thể truyền theo hướng với một tốc độ nhất định và tạo thành phản xạ khi gặp chướng ngại vật. Sử dụng đặc tính này, khoảng cách thực tế có thể được tính bằng cách đo thời gian cần thiết để sóng siêu âm quay trở lại, do đó đạt được phép đo khoảng cách vật thể không tiếp xúc. Phạm vi siêu âm nhanh chóng, thuận tiện và không bị ảnh hưởng bởi các yếu tố như ánh sáng. Nó được sử dụng rộng rãi trong đo mực thủy văn, đo công trường, giám sát vị trí tại chỗ, phát hiện chướng ngại vật khi xe lùi, phát hiện và định vị lối vào của máy di động và các lĩnh vực khác. Máy đo khoảng cách siêu âm kỹ thuật số được thiết kế trong bài viết này đếm các xung đồng hồ của đầu vào tần số cụ thể tới bộ đếm trong thời gian khứ hồi siêu âm, sau đó hiển thị khoảng cách đo tương ứng.
Cấu tạo mạch đo khoảng cách siêu âm và nguyên lý làm việc
Máy đo khoảng cách siêu âm bao gồm một mạch tạo siêu âm, mạch khuếch đại thu siêu âm và mạch đếm và hiển thị.
Mạch tạo siêu âm
Bộ hẹn giờ kép EN556 (U2b) tạo thành bộ kích hoạt đơn ổn định. R6 và C6 tạo thành một mạch vi sai và chức năng của nó là: khi nhấn nút S2, mức thấp sẽ trở thành xung cực đại dương và cực âm, và xung cực đại âm thu được thông qua VD1, kích hoạt lật bộ kích hoạt đơn ổn định. Mức cao của đầu ra lật ổn định đơn kéo dài trong khoảng 1ms, tức là tw≈1.1R5C5≈1ms. EN556 (U2n) tạo thành một bộ dao động đa năng có tần số dao động f1=1/T1≈1/{0.7[(R1+R2)+2(R{{22 }}R4)]C3≈40kHz. Dao động của bộ dao động được điều khiển bởi mức đầu ra flip-flop đơn ổn. Khi bộ kích hoạt đơn ổn tạo ra mức cao, bộ dao động đa năng sẽ dao động và chân 5 của EN556 tạo ra khoảng 40 xung hình chữ nhật với tần số 40kHz và chu kỳ nhiệm vụ khoảng 50%. Xét rằng bộ dao động đa năng không ổn định ở giai đoạn khởi động, nó được thiết kế để tạo ra số lượng m xung lớn hơn. Nếu số lượng xung đầu ra quá ít thì cường độ phát xạ sẽ nhỏ và khoảng cách đo sẽ ngắn. Đầu dò cảm biến độ ẩm, ống sưởi điện bằng thép không gỉ cảm biến PT100, lò sưởi bằng nhôm đúc, van điện từ chất lỏng cuộn dây sưởi ấm. Tuy nhiên, số lượng xung quá nhiều và thời gian phát xạ dài. Khi khoảng cách đến đối tượng đo gần, chuỗi xung chưa được truyền đi hoàn toàn, điều này khiến cho tiếng vang do xung truyền trước sẽ đến đầu nhận, ảnh hưởng đến kết quả đo khoảng cách và khiến vùng mù phạm vi tăng lên. U1a~U1e của 74HC04 (U1) tạo thành mạch truyền động xung siêu âm, có thể tăng biên độ điện áp xung điều khiển cảm biến gửi siêu âm, thực hiện chuyển đổi điện/âm thanh một cách hiệu quả, tăng cường khả năng truyền sóng siêu âm và tăng khả năng đo khoảng cách. Một đường dẫn của chuỗi xung 40kHz được đảo ngược qua U1a, sau đó đảo ngược qua bộ biến tần được kết nối song song giữa U1b và U1e; đường còn lại được đảo ngược thông qua biến tần được kết nối song song giữa U1c và U1d.
