עיצוב וניתוח יישומים של מד טווח קולי
מאמר זה משתמש ביחס בין מרחק וזמן בשידור קולי, ומשתמש במיקרו-מחשב AT89C51 עם שבב יחיד עבור בקרה ועיבוד נתונים, ומתכנן מד טווח קולי שיכול למדוד את המרחק בין שתי נקודות. מד הטווח מורכב בעיקר ממעגל משדר קולי, מעגל מקלט קולי, מעגל בקרה של מיקרו-שבב יחיד, מעגל זיהוי טמפרטורת סביבה ומעגל תצוגה. באמצעות מד הטווח האולטראסוני המתוכנן, נבדקים מרחקים שונים, ומבוצע ניתוח שגיאות מפורט.
חיישן טמפרטורת מיקרו-בקר למדידת מרחק קולי
עם התפתחות החברה, לאנשים יש דרישות גבוהות יותר ויותר למדידת מרחק או אורך. טווח אולטרסאונד מקבל יותר ויותר תשומת לב בגלל מדידה ללא מגע ודיוק גבוה יחסית. מד הטווח האולטראסוני שתוכנן במאמר זה יכול לבדוק מרחקים שונים ולבצע ניתוח שגיאות מפורט.
1. עקרון עיצוב
מד טווח קולי מבוסס על המאפיינים של גלים קוליים המשתקפים בחזרה בעת מפגש עם מכשולים. המשדר הקולי פולט גלים קוליים בכיוון מסוים, ומתחיל בתזמון במקביל לפליטת הפליטה. הגלים האולטראסוניים מתפשטים באוויר, וחוזרים מיד כאשר נתקלים במכשולים בדרך, והמקלט האולטראסוני מיד מפריע ומפסיק את התזמון כאשר הוא קולט את הגל המוחזר. על ידי זיהוי רציף של ההדים המשתקפים על ידי מכשולים לאחר פליטת הגלים שנוצרו, נמדד הפרש הזמן T בין הגלים האולטראסוניים הנפלטים להדים המתקבלים, ולאחר מכן מחושב המרחק L. נוסחת הטווח הבסיסית היא: L=(△t/2)*C
איפה L - המרחק שיש למדוד
T - מרווח הזמן בין הגל המשודר לגל המוחזר
C——מהירות הקול של גלים קוליים באוויר, הנלקחת כ-340m/s בטמפרטורת החדר
לאחר קביעת מהירות הקול, ניתן לקבל L על ידי מדידת זמן ההליכה הלוך ושוב של הגלים האולטראסוניים.
2. מטרת עיצוב טווח קולי
מרחק מדידה: בתוך 5 מטרים; ניתן להציג את המרחק בין שתי נקודות בצורה נכונה דרך נורת ה-LED; השגיאה היא פחות מ-5 אחוזים.
3. מדידת נתונים וניתוח
1. מדידת נתונים וניתוח
בשל מגבלות עבודת המדידה בפועל, נבחרו למדידה שישה מרחקים של 30 ס"מ, 50 ס"מ, 70 ס"מ, 80 ס"מ, 90 ס"מ ו-100 ס"מ מתחת למטר אחד, וכל מרחק נמדד שבע פעמים ברציפות לקבלת נתוני המדידה (טמפרטורה: 29 תואר ), כפי שמוצג בטבלה. ניתן לראות מהנתונים בטבלה כי הערך הנמדד גדול בדרך כלל בכמה סנטימטרים מהערך בפועל, אך הדיוק של המדידה הרציפה הוא גבוה יחסית.
עבור כל סט של נתונים נמדדים, מסירים ערך מקסימלי וערך מינימלי, ולאחר מכן מחושב הערך הממוצע, המשמש כנתוני המדידה הסופיים, ולבסוף מתבצע ניתוח השוואתי. לעיבוד זה של נתונים יש גם מידה מסוימת של מדע ורציונליות. מהנתונים בטבלה, למרות שפיצוי הטמפרטורה בוצע על הגל האולטראסוני, השגיאה היחסית גדולה יחסית במדידת מרחק קצר יחסית. במיוחד עבור מדידת המרחק של 30 ס"מ ו-50 ס"מ, השגיאות היחסיות הגיעו ל-5 אחוזים ו-4.8 אחוזים בהתאמה. אבל מכל תוצאות המדידה, השגיאה של עיצוב זה קטנה יחסית ויציבה יחסית. השטח העיוור של עיצוב זה הוא כ-22.6 ס"מ, מה שעומד בעצם בדרישות העיצוב.
2. ניתוח שגיאות
שגיאת הטווח נובעת בעיקר מההיבטים הבאים:
(1) קיימת זווית מסוימת בין בדיקת השידור והקליטה האולטרסאונד לבין הנקודה הנמדדת, המשפיעה ישירות על הערך המרבי של מרחק המדידה; (2) עוצמת קול ההד האולטראסונית קשורה ישירות למרחק שיש למדוד, כך שהמדידה בפועל היא לא בהכרח טריגר אפס של הד; (3) בשל הכלים הגסים, למרחק המדידה בפועל יש גם שגיאות. ישנם גורמים רבים המשפיעים על שגיאת המדידה, כולל הפרעות בסביבת השדה, תדירות הדופק של בסיס זמן וכן הלאה.
4. ניתוח יישומים
השימוש באולטרסאונד למדידת מרחק הקרקע באטמוספירה הוא טכנולוגיה שיושמה רשמית רק לאחר התפתחות הטכנולוגיה האלקטרונית המודרנית. מכיוון שטווח קולי הוא טכנולוגיית זיהוי ללא מגע, היא אינה מושפעת מאור, צבע האובייקט הנמדד וכו', וניתן להשתמש בה בסביבות קשות. (כגון להכיל אבק) יש יכולת הסתגלות מסוימת. לכן, זה מאוד תכליתי. לדוגמא: מדידה ומיפוי מפות טופוגרפיות, בניית בתים, גשרים, כבישים, חפירת מוקשים, בארות נפט וכדומה, שימוש בגלים קוליים למדידת מרחקי קרקע מושגת באמצעות טכנולוגיה פוטו-אלקטרית. היתרונות של מדדי טווח קולי הם: עלות המכשיר נמוכה מזו של מדדי טווח גלי אור נמוכה, חוסכת עבודה, קלה לתפעול.
מדדי טווח אולטראסוניים משמשים גם בטכנולוגיית רובוט מתקדמת. המקור האולטראסוני מותקן על הרובוט, שפולט ללא הרף גלים קוליים לסביבה ובמקביל קולט הדים המשתקפים ממכשולים כדי לקבוע את מיקומו של הרובוט עצמו, ומשתמש בו כחיישן לשליטה על הרובוט. מחשב וכן הלאה. מכיוון שגלים קוליים קלים לפליטת כיוונית, כיווניות טובה ושליטה קלה בעוצמה, ערך היישום שלהם זכה להערכה רבה.
במילה אחת, ניתן לראות מהניתוח לעיל שלשימוש בטווח קולי יש יתרונות רבים בהיבטים רבים. לכן, המחקר של נושא זה הוא מאוד מעשי ובעל ערך מסחרי.
