Entwicklung eines digitalen Ultraschall-Entfernungsmessers
1. Einleitung
Ultraschallwellen breiten sich in Gasen, Flüssigkeiten und Feststoffen mit unterschiedlichen Geschwindigkeiten aus. Sie weisen eine gute Richtungsabhängigkeit, konzentrierte Energie, geringe Dämpfung während der Übertragung und ein starkes Reflexionsvermögen auf. Ultraschallwellen können sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit gerichtet ausbreiten und beim Auftreffen auf Hindernisse Reflexionen bilden. Mithilfe dieser Funktion kann durch Bestimmung der Ultraschall-Umlaufzeit die tatsächliche Entfernung berechnet werden, sodass eine berührungslose Messung der Entfernung zum Objekt möglich ist. Die Ultraschall-Entfernungsmessung ist schnell, bequem und wird nicht von Licht und anderen Faktoren beeinflusst. Sie wird häufig in der hydrologischen Füllstandsmessung, der Vermessung von Baustellen, der Standortüberwachung, der Hinderniserkennung beim Rückwärtsfahren von Fahrzeugen, der Erkennung und Positionierung mobiler Maschinen und in anderen Bereichen eingesetzt. In diesem Dokument wird das Design eines digitalen Ultraschall-Entfernungsmessers beschrieben, bei dem die Ultraschall-Umlaufzeit in einen Zähler eingegeben und mit einer bestimmten Taktfrequenz gezählt wird, um dann die entsprechende Messentfernung anzuzeigen.
2. Aufbau und Funktionsprinzip des Ultraschall-Entfernungsmesser-Schaltkreises
Ultraschall-Entfernungsmesser mit Ultraschall-Erzeugungsschaltung, Ultraschall-Empfangs- und Verstärkungsschaltung sowie Zähl- und Anzeigeschaltung.
2.1 Ultraschall-Erzeugungsschaltung
Ultraschallerzeugungsschaltung. Dual-Timer EN556 (U2b) monostabiler Trigger. R6 und C6 bilden eine Differenzialschaltung, deren Funktion darin besteht, beim Drücken der Taste S2 den niedrigen Pegel in einen positiven und einen negativen Impuls umzuwandeln, nachdem VD1 den negativen Impuls erhalten hat, der das monostabile Trigger-Flipflop auslöst. Der hohe Pegel des monostabilen Flipflops hält etwa 1 ms an, d. h. tw ≈ 1,1R5C5 ≈ 1 ms. EN556 (U2n) besteht aus einem Polytunneloszillator, Schwingungsfrequenz f1=1/T1 ≈ 1/{0,7 [(R1 + R2) + 2 (R3 + R4)] C3 ≈ 40 kHz. Die Schwingung des Oszillators wird durch den Ausgangspegel des monostabilen Triggers gesteuert. Wenn der monostabile Trigger einen hohen Pegel ausgibt, erzeugt der vielfach abgestimmte Oszillator Schwingungen, und Pin 5 des EN556 gibt etwa 40 Rechteckimpulse mit einer Frequenz von 40 kHz und einem Arbeitszyklus von etwa 50 % aus. In Anbetracht der Instabilität der Startphase des multiharmonischen Oszillators ist das Design auf die Ausgabe einer größeren Anzahl von Impulsen ausgelegt. Wenn die Anzahl der ausgegebenen Impulse zu gering ist, ist die Emissionsintensität gering und die Messdistanz kurz. Feuchtigkeitssensorsonde, , Edelstahlheizung, PT100-Sensor, , Aluminiumgussheizung, Heizspule, Flüssigkeitsmagnetventil. Wenn jedoch die Anzahl der Impulse zu hoch ist, die Startdauer zu lang ist und die Impulsfolge noch nicht gestartet wurde, wenn der Abstand zum zu messenden Objekt relativ gering ist, gelangt das von den zuerst gestarteten Impulsen erzeugte Echo am Empfangsende an, was die Entfernungsmessungsergebnisse beeinflusst und den toten Winkel der Entfernungsmessung vergrößert. 74HC04 (U1) U1a~U1e besteht aus einem Ultraschall-Impuls-Antriebsschaltkreis, der die Impulsspannungsamplitude des Antriebs-Ultraschall-Übertragungssensors verbessern, eine effektive elektrische/akustische Umwandlung ermöglichen, die Fähigkeit zum Aussenden von Ultraschallwellen verbessern und die Messdistanz erhöhen kann. Die 40-kHz-Impulsfolge wird vollständig durch den Invertierer U1a und dann durch die parallel geschalteten Invertierer U1b und U1e invertiert; umgekehrt durch die invertierten parallel geschalteten Invertierer U1c und U1d.
