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El sistema de alcance ultrasónico de tres direcciones (frontal, izquierda, derecha) presentado en este artículo tiene como objetivo comprender los entornos frontal, izquierdo y derecho del robot y proporcionar información sobre la distancia de movimiento. (Similar al sistema de posicionamiento GPS)
Principio del alcance ultrasónico
1. Principio del generador ultrasónico piezoeléctrico
El generador ultrasónico piezoeléctrico utiliza resonadores de cristal piezoeléctricos. La estructura interna del generador ultrasónico se muestra en la Figura 1. Tiene dos láminas piezoeléctricas y una placa resonante. Cuando la frecuencia de sus dos señales de pulso externas es igual a la frecuencia de oscilación piezoeléctrica inherente del chip, el chip experimentará resonancia piezoeléctrica y promoverá el desarrollo de la vibración resonante de la placa para generar ondas ultrasónicas. Por el contrario, si no hay voltaje entre los dos electrodos, cuando la placa de circuito reciba resonancia ultrasónica, suprimirá la vibración del chip piezoeléctrico y convertirá la energía mecánica en una señal eléctrica. En este momento, se convierte en un receptor ultrasónico. .
2. Principio del alcance ultrasónico
El transmisor ultrasónico emite ondas ultrasónicas en una dirección. Al mismo tiempo que comienza el momento de lanzamiento, las ondas ultrasónicas se propagan en el aire y los obstáculos. El camino volverá inmediatamente. El receptor deja de cronometrar inmediatamente después de recibir la onda ultrasónica reflejada. La velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en el aire es de 340m/s Según el tiempo t registrado por el cronómetro, podemos calcular la distancia (s) entre la distancia de lanzamiento y los obstáculos, es decir: s = 340t/2
Diseño de circuito secundario del sistema de medición de rango ultrasónico
El sistema se caracteriza por utilizar un microcontrolador para controlar el tiempo de autoemisión del transmisor ultrasónico y el receptor ultrasónico. El microcontrolador es 8751, que es económico y. asequible y el chip tiene ROM 4K, lo cual es una programación conveniente. El esquema del circuito se muestra en la Figura 2. Sólo se dibuja el diagrama de cableado del circuito de rango frontal. Los circuitos de rango izquierdo y derecho son los mismos que el circuito de rango anterior, por lo que se omiten.
El pulso ultrasónico de 1,40 kHz generado durante el lanzamiento
El sensor ultrasónico del sistema de medición utiliza el sensor cerámico piezoeléctrico UCM40, cuyo voltaje de funcionamiento es una señal de pulso de 40 kHz. El microcontrolador ejecuta el pulso. siguiente programa de producción.
Puzel: mov 14h, # 12h; el encendido ultrasónico dura 200 milisegundos
Aquí: CPL p 1.0; salida de onda cuadrada de 40 kHz
nop
nop
nop
djnz 14h, aquí;
Remojado en agua para suavizarlo
Terminal de alcance frontal MCU Puerto de entrada del circuito P1.0, el microcontrolador ejecuta el programa anterior y emite una señal de pulso de 40 kHz en el puerto P1.0. Después de la amplificación por el transistor T, impulsa el UCM40T para emitir la primera onda ultrasónica, emite un pulso ultrasónico de 40 kHz. y continúa emitiendo durante 200 ms. Mida los lados derecho e izquierdo del circuito respectivamente, y luego los puertos de entrada P1.1 y P1.2. Su principio de funcionamiento es el mismo que la posición del circuito anterior.
2. Recepción y procesamiento de ondas ultrasónicas
Se utiliza para recibir la primera transmisión del primer par de UCM40R, convertir la señal de modulación de pulso ultrasónico en voltaje CA, amplificarla y procesarla. el amplificador operacional IC1A Después de la polarización por IC1B, se envía a IC2. IC2 y el chip decodificador de audio LM567 forman un bucle de bloqueo de fase. La frecuencia central del oscilador interno controlado por voltaje es f0 = 1/1.1R8C3 y el condensador C4 determina su ancho de banda objetivo. R8 se ajusta a la frecuencia portadora de transmisión. Cuando la señal de entrada de LM567 es superior a 25 mV, la salida salta del pin 8 alto al nivel bajo y se envía al microcontrolador para su procesamiento como una señal de solicitud de interrupción.
La interrupción de alcance frente al puerto de salida INT0 del circuito terminal de la computadora de un solo chip tiene la máxima prioridad. La posición derecha o izquierda del circuito de salida está conectada al puerto INT1 de la computadora de un solo chip. la puerta de salida IC3A y los puertos P1.3 y P1 de la computadora de un solo chip. 4 Después de recibir la entrada IC3A, la fuente de consulta de identificación del proceso procesa la interrupción y la prioridad de la interrupción se deja primero y luego a la derecha.
Parte del código fuente es el siguiente:
recibir1: push psw
Push acc
clr ex 1; interrupción externa relacionada 1
jnb p1.2, izquierda, el pin P1.2 es 0; el programa de servicio de interrupción del circuito de rango izquierdo
Retorno: SETB ex 1; activar la interrupción externa 1
¿Música pop? Accept (abreviatura de aceptar)
¿Música pop? PacificSouthwest
Retty
Correcto:...? ;Rutina de servicio de interrupción del circuito de entrada en posición derecha
? ¿Ajmp? Volver
Lado izquierdo:...; ¿Rutina de servicio de interrupción del circuito de entrada de rango izquierdo
? ¿Ajmp? Volver
4. Cálculo del tiempo de propagación ultrasónica
Cuando comience a transmitir, inicie el temporizador T0 en el circuito del microcontrolador y use la función de conteo del temporizador para registrar el tiempo de transmisión y el ultrasonido. Onda reflejada Tiempo de recepción. Al recibir la onda ed reflejada por la onda ultrasónica, el circuito receptor genera un terminal negativo para saltar a la solicitud de interrupción INT0 o INT1 para generar una señal. El microcontrolador responde a la solicitud de interrupción externa, ejecuta la subrutina del servicio de interrupción externa y lee la. diferencia horaria y calcula la distancia. Algunos de sus códigos fuente son los siguientes:
Recibir 0: presionar PSW
Empujar ACC
Interrupción externa 0 relacionada con CLR EX0
? MOV R7, valor de tiempo de lectura TH0
MOV·R6, TL0?
CLR C
R6 MOV
SUBB A, # 0BBH Calcular diferencia horaria
MOV 31H, A almacena el resultado
p>
MOV A, R7
SUBB A, # 3CH
MOV 30H, A?
SETB EX0; Activar interrupción externa 0
¿ACC popular?
POP PSW
Reti
4. Diseño de software del sistema de medición de rango ultrasónico
El software se divide en dos partes, el programa principal. y la interrupción El programa de servicio se muestra en la Figura 3 (a) (b) (c) a continuación. Complete la inicialización del programa principal y controle las distintas secuencias de transmisión y recepción ultrasónica.
La subrutina del servicio de interrupción completa periódicamente la emisión ultrasónica en tres direcciones de rotación, y la subrutina principal del servicio de interrupción externa lee el valor del tiempo de finalización, el cálculo de la distancia, la salida del resultado, etc.
Conclusión del verbo (abreviatura de verbo)
Se requiere realizar múltiples mediciones de objetos en un plano con un rango de medición de 30 cm ~ 200 cm, y se encuentra que el error máximo Es de 0,5 cm y la repetibilidad es buena. Se puede ver que el sistema de alcance ultrasónico diseñado por el microcontrolador tiene las características de estructura de hardware simple, confiabilidad y pequeño error de medición. Por tanto, se puede utilizar no sólo en robots móviles sino también en otros sistemas de inspección.
Pensamientos: En cuanto a por qué el receptor no tiene un circuito de amplificación de transistor, porque el efecto de amplificación es muy bueno, el amplificador integrado CX20106 también tiene una etapa de control de ganancia automática, el factor de amplificación es de 76 dB y el la frecuencia central es de 38k a 40k, que es exactamente la frecuencia de resonancia del sensor ultrasónico
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Se introdujo el sistema de rango ultrasónico de tres vías (frontal, izquierdo, derecho) En este artículo se proporciona información sobre la distancia de movimiento del robot, de modo que pueda comprender su entorno al frente, a la izquierda y a la derecha. (Similar al sistema de posicionamiento GPS)
Principio del alcance ultrasónico
1. Principio del generador ultrasónico piezoeléctrico
El generador ultrasónico piezoeléctrico realmente utiliza Funciona por resonancia. de cristal piezoeléctrico. La estructura interna del generador ultrasónico se muestra en la Figura 1. Tiene dos obleas piezoeléctricas y una placa vibratoria. Cuando se aplica una señal de pulso a sus dos polos con una frecuencia igual a la frecuencia de oscilación natural del chip piezoeléctrico, el chip piezoeléctrico vibrará e impulsará la vibración de la placa, generando así ondas ultrasónicas. Por otro lado, si no se aplica voltaje entre los dos electrodos, cuando la placa vibratoria recibe ondas ultrasónicas, obligará al chip piezoeléctrico a vibrar, convertirá la energía mecánica en señales eléctricas y luego se convertirá en un receptor de ondas ultrasónicas.
2. Principio del alcance ultrasónico
El transmisor ultrasónico emite ondas ultrasónicas en una dirección determinada y comienza a cronometrar al mismo tiempo. Las ondas ultrasónicas se propagan en el aire y regresan inmediatamente cuando encuentran obstáculos en el camino. El receptor ultrasónico deja de cronometrar inmediatamente cuando recibe una onda reflejada. La velocidad de propagación de las ondas ultrasónicas en el aire es de 340 m/s. Según el tiempo t registrado por el cronómetro se puede calcular la distancia (S) entre el punto de emisión y el obstáculo, es decir, s=340t/2.
Diseño del circuito del sistema de medición de rango ultrasónico
La característica de este sistema es utilizar un microcontrolador para controlar la emisión de ondas ultrasónicas y cronometrar el tiempo de ida y vuelta desde la transmisión hasta la recepción de ondas ultrasónicas. ondas. El microcontrolador es 8751, que es económico y fácil de usar. Hay ROM 4K en el chip para facilitar la programación. El esquema del circuito se muestra en la Figura 2. Sólo se dibuja el diagrama de cableado del circuito de rango frontal. Los circuitos de rango izquierdo y derecho son los mismos que el circuito de rango frontal y se omiten.
Genera pulsos de 1 y 40 kHz y emisión ultrasónica.
El sensor ultrasónico en el sistema de alcance utiliza un sensor cerámico piezoeléctrico UCM40, su voltaje de trabajo es una señal de pulso de 40 kHz y el microcontrolador realiza lo siguiente Programa generado.
Puzel:mov 14h, #12h; la emisión ultrasónica dura 200 milisegundos.
Aquí: CPL p 1.0; salida de onda cuadrada de 40 kHz.
nop
nop
nop
djnz 14h, aquí;
Remojado en agua para suavizar
El extremo de entrada del circuito de rango frontal está conectado al puerto P1.0 del microcontrolador. Después de que el microcontrolador ejecuta el programa anterior, emite una señal de pulso de 40 kHz en el puerto P1.0. Después de ser amplificado por el transistor T, hace que el transmisor ultrasónico UCM40T emita una onda ultrasónica de pulso de 40 kHz durante 200 ms continuamente. de los circuitos de rango izquierdo y derecho están conectados a los puertos P1.1 y P1.2 respectivamente, el principio de funcionamiento es el mismo que el del circuito de rango frontal.
2. Recepción y procesamiento de ondas ultrasónicas
El receptor utiliza UCM40R que combina con el transmisor para convertir el pulso ultrasónico modulado en una señal de voltaje CA, que es amplificada por los amplificadores operacionales IC1A y IC1B y luego aplicado a IC2. IC2 es un bloque integrado de decodificación de audio LM567 con un anillo de bloqueo. La frecuencia central del oscilador interno controlado por voltaje es f0=1/1.1R8C3 y el ancho de banda de bloqueo está determinado por el condensador C4. Cuando R8 se ajusta en la frecuencia portadora transmitida, la señal de entrada del LM567 será superior a 25 mV y el pin de salida 8 cambia de nivel alto a nivel bajo, lo que se envía al microcontrolador como una señal de solicitud de interrupción para su procesamiento.
El terminal de salida del circuito de rango frontal está conectado al puerto INT0 del microcontrolador y la prioridad de interrupción es la más alta. La salida de los circuitos de rango izquierdo y derecho está conectada al puerto INT1 del microcontrolador a través de la salida de la puerta AND IC3A, mientras que los microcontroladores P1.3 y P1.4 están conectados a los terminales de entrada de IC3A. La identificación de las fuentes de interrupción se procesa mediante consulta del programa y la prioridad de interrupción es de derecha a izquierda. Algunos programas fuente son los siguientes:
receive1:push psw
Push acc
clr ex 1; desactivar la interrupción externa 1
jnb p1 1, sí; el pin P1.1 es 0, vaya a la rutina de servicio de interrupción del circuito de rango derecho.
jnb p1.2, izquierda; el pin P1.2 es 0, vaya a la rutina de servicio de interrupción del circuito de rango izquierdo.
Regreso: SETB ex 1; activar interrupción externa 1
¿Música pop? Accept (abreviatura de aceptar)
¿Música pop? PacificSouthwest
Retty
Correcto:...? ;¿Entrada de programa de servicio de interrupción de circuito de rango correcto
? ¿Ajmp? Volver
Lado izquierdo:...; ¿Entrada del programa de servicio de interrupción del circuito de rango izquierdo
? ¿Ajmp? Volver
4. Calcular el tiempo de propagación de la onda ultrasónica.
Cuando se inicia el circuito de transmisión, se inicia el temporizador T0 dentro del microcontrolador y la función de conteo del temporizador se utiliza para registrar el tiempo de transmisión de ondas ultrasónicas y el tiempo de recepción de ondas reflejadas. Cuando se recibe la onda ultrasónica reflejada, el terminal de salida del circuito receptor produce una transición negativa y se genera una señal de solicitud de interrupción en el terminal INT0 o INT1. El microcontrolador responde a la solicitud de interrupción externa, ejecuta la subrutina del servicio de interrupción externa, lee la diferencia horaria y calcula la distancia.
Algunos programas fuente son los siguientes:
Recibir 0: presionar PSW
Empujar ACC
CLR EX0 cerrar la interrupción externa 0
? MOV R7, valor de tiempo de lectura TH0
MOV·R6, TL0?
CLR C
R6 MOV
SUBB A, # 0BBH calcula la diferencia horaria
MOV 31H, A almacena el resultado
p>
MOV A, R7
SUBB A, #3CH
MOV 30H, A?
SETB EX0; Activar interrupción externa 0
¿ACC popular?
POP PSW
Reti
En cuarto lugar, el diseño del software del sistema de alcance ultrasónico.
El software se divide en dos partes, el programa principal y el programa de servicio de interrupción, como se muestra en la Figura 3 (a), (b), (c). El programa principal completa el trabajo de inicialización y control de la secuencia de transmisión y recepción de ultrasonidos.
La subrutina del servicio de interrupción del temporizador completa la transmisión ultrasónica de tres vías en secuencia, y la subrutina del servicio de interrupción externa completa principalmente la lectura del valor del tiempo, el cálculo de la distancia, la salida de resultados, etc.
Conclusión del verbo (abreviatura de verbo)
Realizamos múltiples mediciones en objetos planos dentro del rango de medición requerido de 30 cm ~ 200 cm y descubrimos que el error máximo fue de 0,5 cm y el la repetibilidad fue buena. Se puede ver que el sistema de medición de rango ultrasónico basado en un microcontrolador tiene las características de una estructura de hardware simple, operación confiable y pequeño error de medición. Por tanto, se puede utilizar no sólo en robots móviles sino también en otros sistemas de inspección.
Pensamiento: En cuanto a por qué los transistores no se utilizan como circuitos de amplificación, porque el factor de amplificación no es bueno, el circuito de amplificación integrado CX20106 tiene control automático de ganancia de nivel, un factor de amplificación de 76 dB y una frecuencia central de 38k a 40k, que resulta ser la frecuencia de resonancia del sensor ultrasónico.