ВВЕДЕНИЕ 4
1. СОВМЕЩЁННЫЙ МЕТОД ИЗМЕРЕНИЯ РАССТОЯНИЯ НА ОСНОВЕ
УЛЬТРАЗВУКА И РАДИОКАНАЛА 6
1.1. Практическая значимость проекта 6
1.2. Описание метода измерения расстояния 7
1.2.1. Принцип измерения расстояния по методу отражённой волны 7
1.2.2. Принцип измерения расстояния при синхронизации времени 8
2. ФИЗИЧЕСКИЕ СВОЙСТВА УЛЬТРАЗВУКА 9
2.1. Скорость звука 9
2.2. Ультразвук как средство связи 12
2.3. Распространение ультразвука 13
2.4. Расчёт рупорной антенны 15
3. РАЗРАБОТКА ПРОГРАММНО АППАРАТНОГО ОБЕСПЕЧЕНИЯ КОМПЛЕКСА 18
3.1. Ультразвуковой преобразователь 18
3.2. Модуль беспроводной связи 22
3.2.1. Описание модуля nRF24L01+ 22
3.2.2. Перечень команд модуля беспроводной связи nRF24Lo1+ 24
3.3. Передающее устройство 25
3.3.1. Структурная схема передающего устройства 25
3.3.2. Выбор элементной базы передающего устройства 26
3.3.3. Принципиальная схема передающего устройства и описание его работы 30
3.3.4. DC/DC преобразователь 34
3.4. Принимающее устройство 36
3.4.1. Структурная схема приёмника 36
3.4.2. Принципиальная схема операционного усилителя 37
3.4.3. Отладка полосового фильтра на плате STM32F429 Discovery 39
4. ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНОЕ ИССЛЕДОВАНИЕ ХАРАКТЕРИСТИК
РАЗРАБОТАННОГО ДАЛЬНОМЕРА 44
4.1. Используемое оборудование 44
4.2. Экспериментальное измерение зависимости амплитуды сигнала на ультразвуковом сенсоре от расстояния между передатчиком и приёмником. 45
4.3. Экспериментальное измерение зависимости амплитуды сигнала на
выходе операционного усилителя от расстояния между передатчиком и приёмником 46
4.4. Макетное испытание измерителя дальности 47
ЗАКЛЮЧЕНИЕ 49
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ 50
ПРИЛОЖЕНИЕ А — ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ARDUINO UNO R3..51 ПРИЛОЖЕНИЕ Б — ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА ПЕРЕДАЮЩЕГО УСТРОЙСТВА 52
ПРИЛОЖЕНИЕ В — ПРИНЦИПИАЛЬНАЯ СХЕМА STM32F429
DISCOVERY 53
ПРИЛОЖЕНИЕ Г — БЛОК СХЕМА STM32F429 DISCOVERY 54
ПРИЛОЖЕНИЕ Д — ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ ПЕРЕДАЮЩЕГО
УСТРОЙСТВА 55
ПРИЛОЖЕНИЕ Д — ЛИСТИНГ ПОДПРОГРАММЫ КИХ ФИЛЬТРА 57
ПРИЛОЖЕНИЕ Е — ЛИСТИНГ ПРОГРАММЫ ПРИНИМАЮЩЕГО
УСТРОЙСТВА 60
Понятие «ультразвук» приобрело в настоящее время более широкий смысл, чем просто обозначение высокочастотной части спектра акустических волн. С ним связаны целые области современной физики, промышленной технологии, информационной и измерительной техники, медицины и биологии.
Характерной особенностью современного состояния физики и техники ультразвука является чрезвычайное многообразие его применений. Ультразвук применяется в металлургии для воздействия на расплавленный металл и в микроэлектронике и приборостроении для прецизионной обработки тончайших деталей; в качестве средства получения информации он служит как для измерения глубины, локации подводных препятствий в океане, так и для обнаружения микродефектов в ответственных деталях и изделиях; ультразвуковые методы используются для фиксации малейших изменений химического состава веществ и для определения степени затвердевания бетона в теле плотины. На основании разнообразных воздействий ультразвука на вещество образовалось целое технологическое направление — ультразвуковая технология. В области контрольно-измерительных применений ультразвука в самостоятельный, установившийся раздел выделилась ультразвуковая дефектоскопия, возможности которой и разнообразие решаемых ею задач существенно возросли.
Интерес к ультразвуку, к ультразвуковой технике всё возрастает, благодаря его проникновению в самые различные области человеческой деятельности, поэтому появление принципиально нового устройства для измерения расстояния на основе ультразвука и радиоканала могла бы стать весьма успешной.
В сравнении с устройствами для измерения расстояния, представленными на сегодняшний день на рынке, разрабатываемый дальномер имеет большую дальность измерений и не нуждается в объектах с большой поверхностью для отражения волны.
Целью данной работы является: разработка макета ультразвукового дальномера с системой синхронизации по радиоканалу.
Поставленная цель потребовала решения следующих задач:
1. Изучить особенности генерации, приёма и распространения ультразвуковых колебаний.
2. Предложить метод совмещённого измерения расстояния на основе ультразвука.
3. Разработать макет передающего устройства, использующий ультразвук для измерения расстояния.
4. Разработать макет приёмного устройства, использующий ультразвук для измерения расстояния.
5. Синхронизировать данные устройства по радиоканалу.
1. Изучены особенности генерации, приёма и распространения ультразвуковых колебаний.
2. Разработан метод совмещённого измерения расстояния на основе ультразвука и радиоканала.
3. Разработан и собран макет передающего устройства, использующий ультразвуковые волны на частоте 25,6 кГц для измерения расстояния.
4. Разработан и собран макет принимающего устройства, способный детектировать сигнал, поступающий с ультразвукового сенсора (микрофона), при помощи микроконтроллера STM32F429.
5. Принимающее и передающее устройства синхронизированы по радиоканалу с точностью 2 мкс при помощи системы синхронизации времени RF24Sync.
6. Максимальное расстояние, измеряемое разработанным дальномером, составило 38 м с точностью 16-19 мм. Данная точность зависит от длины передаваемой ультразвуковой волны и задержки программы при измерении.
7. Было принято решение не использовать спроектированную и склеенную рупорную антенну, так как при незначительном увеличении дальности измерения (42 м), устройство становится менее мобильным.
