פיתוח מד מרחק קולי דיגיטלי
גלים אולטראסוניים מתפשטים במהירויות שונות בגזים, נוזלים ומוצקים. יש להם כיווניות טובה, אנרגיה מרוכזת, הנחתה קטנה במהלך השידור ויכולות השתקפות חזקות. גלים אולטראסוניים יכולים להתפשט בצורה כיוונית במהירות מסוימת וליצור השתקפויות בעת מפגש עם מכשולים. באמצעות מאפיין זה, ניתן לחשב את המרחק בפועל על ידי מדידת הזמן שלוקח לגלים האולטראסוניים לחזור, ובכך להשיג מדידה ללא מגע של מרחק אובייקט. טווח קולי מהיר, נוח ואינו מושפע מגורמים כגון אור. הוא נמצא בשימוש נרחב במדידת רמה הידרולוגית, מדידת אתרי בנייה, ניטור מיקום באתר, זיהוי מכשולים בהיפוך רכב, זיהוי ומיצוב כניסת מכונות ניידות ותחומים אחרים. מד המרחק האולטסוני הדיגיטלי שתוכנן במאמר זה סופר את פולסי השעון של קלט תדר מסוים למונה במהלך זמן ההליכה הלוך ושוב על-קולית, ולאחר מכן מציג את מרחק המדידה המתאים.
הרכב מעגל מד מרחק קולי ועקרון העבודה
מד המרחק הקולי מורכב ממעגל יצירת קולי, מעגל מגבר קליטה קולי ומעגל ספירה ותצוגה.
מעגל יצירת אולטרסאונד
הטיימר הכפול EN556 (U2b) יוצר טריגר מונו-יציב. R6 ו-C6 יוצרים מעגל דיפרנציאלי, ותפקידו הוא: כאשר כפתור S2 נלחץ, הרמה הנמוכה הופכת לפולס שיא חיובי ושלילי, ודופק שיא שלילי מתקבל דרך VD1, המפעיל את היפוך ההדק המונו-יציב. הרמה הגבוהה של הפלט המונו-יציב נמשכת בערך 1ms, כלומר tw≈1.1R5C5≈1ms. EN556 (U2n) יוצר מולטיוויברטור עם תדר תנודות f1=1/T1≈1/{0.7[(R1+R2)+2(R{{22 }}R4)]C3≈40kHz. תנודת המתנד נשלטת על ידי רמת הפלט המונו-יציבה של הכפכף. כאשר הטריגר המונו-יציב מוציא רמה גבוהה, המולטיברטור מתנודד, ופין 5 של ה-EN556 מוציא כ-40 פולסים מלבניים בתדר של 40kHz ומחזור עבודה של כ-50%. בהתחשב בכך שהמולטיוויברטור אינו יציב בשלב ההפעלה, הוא מתוכנן להפיק מספר גדול יותר של מ' פולסים. אם מספר הפולסים במוצא קטן מדי, עוצמת הפליטה תהיה קטנה ומרחק המדידה יהיה קצר. בדיקה חיישן לחות, , צינור חימום חשמלי נירוסטה חיישן PT100, , דוד אלומיניום יצוק, שסתום סולנואיד נוזל סליל חימום. עם זאת, מספר הפולסים גדול מדי ומשך הפליטה ארוך. כאשר המרחק לאובייקט הנמדד קרוב, רכבת הפולסים לא שודרה לחלוטין, מה שגורם להד שנוצר מהפולס המשודר ראשון יגיע לקצה הקולט, ישפיע על תוצאות הטווח ויגרום להגדלת אזור עיוור הטווח. U1a~U1e של 74HC04 (U1) יוצרים מעגל הנע דופק קולי, שיכול להגביר את משרעת מתח הדופק המניע את חיישן השולח הקולי, לבצע ביעילות המרה חשמלית/אקוסטית, לשפר את היכולת לשדר גלים קוליים ולהגדיל את המדידה מֶרְחָק. נתיב אחד של רכבת הפולסים של 40kHz מתהפך דרך U1a, ולאחר מכן מתהפך דרך המהפך המחובר במקביל בין U1b ל-U1e; הנתיב השני מתהפך דרך המהפך המחובר במקביל בין U1c ל-U1d.
