Entwicklung eines digitalen Ultraschall-Entfernungsmessers
Ultraschallwellen breiten sich in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Sie haben eine gute Richtwirkung, konzentrierte Energie, geringe Dämpfung während der Übertragung und starke Reflexionsfähigkeiten. Ultraschallwellen können sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit gerichtet ausbreiten und beim Auftreffen auf Hindernisse Reflexionen bilden. Mithilfe dieser Eigenschaft kann die tatsächliche Entfernung berechnet werden, indem die Zeit gemessen wird, die die Ultraschallwellen benötigen, um zurückzukehren, wodurch eine berührungslose Messung der Objektentfernung erreicht wird. Die Ultraschallentfernungsmessung ist schnell, bequem und wird nicht von Faktoren wie Licht beeinflusst. Sie wird häufig in der hydrologischen Füllstandsmessung, der Baustellenmessung, der Standortüberwachung vor Ort, der Hinderniserkennung beim Rückwärtsfahren von Fahrzeugen, der Erkennung und Positionierung von Einfahrten mobiler Maschinen und in anderen Bereichen eingesetzt. Der in diesem Artikel entwickelte digitale Ultraschall-Entfernungsmesser zählt die Taktimpulse einer bestimmten Frequenz, die während der Ultraschall-Umlaufzeit in den Zähler eingegeben werden, und zeigt dann die entsprechende Messentfernung an.
Aufbau und Funktionsprinzip des Ultraschall-Entfernungsmessers
Der Ultraschall-Entfernungsmesser besteht aus einer Ultraschall-Erzeugungsschaltung, einer Ultraschall-Empfangsverstärkerschaltung und einer Zähl- und Anzeigeschaltung.
Ultraschall-Erzeugungsschaltung
Der Dualtimer EN556 (U2b) bildet einen monostabilen Trigger. R6 und C6 bilden einen Differenzialkreis und seine Funktion ist: Wenn die Taste S2 gedrückt wird, wird der niedrige Pegel zu einem positiven und negativen Spitzenimpuls, und ein negativer Spitzenimpuls wird durch VD1 erhalten, wodurch das Umschalten des monostabilen Triggers ausgelöst wird. Der hohe Pegel des monostabilen Flip-Flop-Ausgangs hält etwa 1 ms an, d. h. tw≈1,1R5C5≈1 ms. EN556 (U2n) bildet einen Multivibrator mit einer Schwingungsfrequenz f1=1/T1≈1/{0,7[(R1+R2)+2(R3+R4)]C3≈40 kHz. Die Oszillatorschwingung wird durch den Ausgangspegel des monostabilen Flip-Flops gesteuert. Wenn der monostabile Trigger einen hohen Pegel ausgibt, schwingt der Multivibrator und Pin 5 des EN556 gibt etwa 40 Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 40 kHz und einem Arbeitszyklus von etwa 50 % aus. Da der Multivibrator in der Anlaufphase instabil ist, ist er so ausgelegt, dass er eine größere Anzahl von m-Impulsen ausgibt. Wenn die Anzahl der ausgegebenen Impulse zu gering ist, ist die Emissionsintensität gering und die Messdistanz kurz. Feuchtigkeitssensorsonde, , PT100-Sensor für elektrische Heizröhre aus Edelstahl, , Heizgerät aus Aluminiumguss, Flüssigkeitsmagnetventil für Heizspule. Die Anzahl der Impulse ist jedoch zu hoch und die Emissionsdauer lang. Bei geringer Entfernung zum Messobjekt wurde die Impulsfolge nicht vollständig übertragen, wodurch das vom zuerst übertragenen Impuls erzeugte Echo das Empfangsende erreicht, was die Entfernungsmessungsergebnisse beeinflusst und die blinde Zone der Entfernungsmessung vergrößert. U1a~U1e von 74HC04 (U1) bilden einen Ultraschallimpuls-Antriebsschaltkreis, der die Amplitude der Impulsspannung erhöhen kann, die den Ultraschall-Sendesensor antreibt, eine effektive elektrische/akustische Umwandlung durchführen, die Fähigkeit zur Übertragung von Ultraschallwellen verbessern und die Messdistanz erhöhen kann. Ein Pfad der 40-kHz-Impulsfolge wird durch U1a invertiert und dann durch den parallel zwischen U1b und U1e angeschlossenen Inverter invertiert; der andere Pfad wird durch den parallel zwischen U1c und U1d angeschlossenen Inverter invertiert.
