Cyfrowy pomiar odległości DIY z interfejsem czujnika ultradźwiękowego: 5 kroków

2024 Autor: John Day | [email protected]. Ostatnio zmodyfikowany: 2024-01-30 11:28

Celem tego Instructable jest zaprojektowanie cyfrowego czujnika odległości za pomocą GreenPAK SLG46537. System został zaprojektowany przy użyciu ASM i innych komponentów GreenPAK do interakcji z czujnikiem ultradźwiękowym.

System przeznaczony jest do sterowania jednostrzałowym blokiem, który wygeneruje impuls wyzwalający o wymaganej szerokości dla czujnika ultradźwiękowego i zaklasyfikuje powracający sygnał echa (proporcjonalnie do mierzonej odległości) na 8 kategorii odległości.

Zaprojektowany interfejs może być używany do sterowania cyfrowym czujnikiem odległości, który ma być używany w wielu różnych zastosowaniach, takich jak systemy wspomagania parkowania, robotyka, systemy ostrzegawcze itp.

Poniżej opisaliśmy kroki potrzebne do zrozumienia, jak zaprogramowano rozwiązanie do tworzenia cyfrowego pomiaru odległości z interfejsem czujnika ultradźwiękowego. Jeśli jednak chcesz tylko uzyskać wynik programowania, pobierz oprogramowanie GreenPAK, aby wyświetlić już ukończony plik projektu GreenPAK. Podłącz zestaw rozwojowy GreenPAK do komputera i naciśnij program, aby utworzyć cyfrowy pomiar odległości z interfejsem czujnika ultradźwiękowego.

Krok 1: Interfejs z cyfrowym czujnikiem ultradźwiękowym

Zaprojektowany system wysyła impulsy wyzwalające do czujnika ultradźwiękowego co 100 ms. Wewnętrzne komponenty GreenPAK wraz z ASM nadzorują klasyfikację powracającego sygnału echa z czujnika. Zaprojektowany ASM wykorzystuje 8 stanów (stany od 0 do 7) do klasyfikacji echa z czujnika ultradźwiękowego przy użyciu techniki iteracyjnego przechodzenia przez stany, gdy system czeka na sygnał echa. W ten sposób im dalej ASM przechodzi przez stany, tym mniej diod LED się świeci.

Ponieważ system wykonuje pomiary co 100 ms (10 razy na sekundę), łatwo zauważyć wzrost lub spadek odległości mierzonych czujnikiem.

Krok 2: Ultradźwiękowy czujnik odległości

Czujnik, który ma być używany w tej aplikacji to HC-SR04, który przedstawiono na poniższym rysunku 1.

Czujnik wykorzystuje źródło 5 V na skrajnym lewym pinie i połączenie GND na skrajnym prawym pinie. Posiada jedno wejście, które jest sygnałem wyzwalającym i jedno wyjście, które jest sygnałem echa. GreenPAK generuje odpowiedni impuls wyzwalający dla czujnika (10 us zgodnie z arkuszem danych czujnika) i mierzy odpowiedni sygnał impulsu echa (proporcjonalnie do zmierzonej odległości) dostarczany przez czujnik.

Cała logika jest ustawiana w GreenPAK za pomocą ASM, bloków opóźniających, liczników, oscylatorów, przerzutników D i komponentów typu one-shot. Komponenty są używane do generowania wymaganego wejściowego impulsu wyzwalającego dla czujnika ultradźwiękowego i klasyfikowania powracającego impulsu echa proporcjonalnie do odległości zmierzonej w strefach odległości, jak opisano w kolejnych sekcjach.

Połączenia potrzebne do projektu pokazano na rysunku 2.

Wyzwalacz wejściowy żądany przez czujnik jest sygnałem wyjściowym generowanym przez GreenPAK, a wyjście echa czujnika służy do pomiaru odległości przez GreenPAK. Wewnętrzne sygnały systemu będą sterować jednorazowym komponentem w celu wygenerowania wymaganego impulsu do wyzwolenia czujnika, a powracające echo zostanie sklasyfikowane za pomocą przerzutników D, bloków logicznych (LUT i falownika) oraz bloku licznika do 8 stref odległości. Przerzutniki D na końcu utrzymają klasyfikację na diodach wyjściowych aż do wykonania następnego pomiaru (10 pomiarów na sekundę).

Krok 3: Realizacja z GreenPAK Designer

Ten projekt zademonstruje funkcjonalność automatu stanowego GreenPAK. Ponieważ w proponowanej maszynie stanów jest osiem stanów, GreenPAK SLG46537 jest odpowiedni dla tej aplikacji. Maszyna została zaprojektowana w oprogramowaniu GreenPAK Designer, jak pokazano na rysunku 3, a definicje wyjść są ustawione na schemacie pamięci RAM na rysunku 4.

Pełny schemat obwodu zaprojektowanego dla aplikacji można zobaczyć na rysunku 5. Bloki i ich funkcjonalności zostały opisane po rysunku 5.

Jak widać na Rysunku 3, Rysunku 4 i Rysunku 5, system jest zaprojektowany do pracy w kolejności stanów sekwencyjnych w celu wygenerowania impulsu wyzwalającego 10 us dla ultradźwiękowego czujnika odległości, wykorzystując blok CNT2/DLY2 jako jednorazowy element. z zegarem 25 MHz z OSC1 CLK, do generowania sygnału na wyjściu PIN4 TRIG_OUT. Ta jednorazowa składowa jest wyzwalana przez blok licznika CNT4/DLY4 (OSC0 CLK/12 = zegar 2kHz) co 100 ms, wyzwalając czujnik 10 razy na sekundę. Sygnał echa, którego opóźnienie jest proporcjonalne do zmierzonej odległości, pochodzi z wejścia PIN2 ECHO. Zestaw komponentów DFF4 i DFF4, CNT3/DLY3, LUT9 tworzy opóźnienie do śledzenia stanów ASM. Jak widać na rysunkach 3 i 4, im dalej system przechodzi przez stany, tym mniej wyjść jest wyzwalanych.

Kroki stref odległości wynoszą 1,48 ms (sygnał echa), co jest proporcjonalne do przyrostów 0,25 cm, jak pokazano we wzorze 1. W ten sposób mamy 8 stref odległości, od 0 do 2 m w krokach co 25 cm, jak pokazano na Tabela 1.

Krok 4: Wyniki

Aby przetestować projekt, konfigurację używaną w narzędziu emulacyjnym dostarczonym przez oprogramowanie można zobaczyć na rysunku 6. Połączenia na pinach oprogramowania emulacyjnego można zobaczyć za nim w tabeli 2.

Testy emulacji pokazują, że projekt działa zgodnie z oczekiwaniami, zapewniając system interfejsu do interakcji z czujnikiem ultradźwiękowym. Narzędzie emulacyjne dostarczone przez GreenPAK okazało się doskonałym narzędziem symulacyjnym do testowania logiki projektu bez programowania układu i dobrym środowiskiem do integracji procesu rozwoju.

Testy obwodów wykonano przy użyciu zewnętrznego źródła 5 V (również zaprojektowanego i opracowanego przez autora) w celu podania nominalnego napięcia czujnika. Rysunek 7 przedstawia używane źródło zewnętrzne (źródło zewnętrzne 20 V).

Aby przetestować obwód, wyjście echa z czujnika zostało podłączone do wejścia PIN2, a wejście wyzwalające zostało podłączone do PIN4. Dzięki temu połączeniu mogliśmy przetestować obwód dla każdego z zakresów odległości określonych w Tabeli 1, a wyniki były następujące na Rysunku 8, Rysunku 9, Rysunku 10, Rysunku 11, Rysunku 12, Rysunku 13, Rysunku 14, Rysunku 15 i Rysunek 16.

Wyniki dowodzą, że obwód działa zgodnie z oczekiwaniami, a moduł GreenPAK może pełnić rolę interfejsu dla ultradźwiękowego czujnika odległości. Na podstawie testów zaprojektowany obwód może wykorzystywać maszynę stanu i komponenty wewnętrzne do generowania wymaganego impulsu wyzwalającego i klasyfikowania opóźnienia powracającego echa do określonych kategorii (z krokiem 25 cm). Pomiary te zostały wykonane w systemie online, mierząc co 100 ms (10 razy na sekundę), pokazując, że obwód działa dobrze w aplikacjach ciągłego pomiaru odległości, takich jak urządzenia wspomagające parkowanie samochodu i tak dalej.

Krok 5: Możliwe dodatki

Aby wprowadzić dalsze usprawnienia w projekcie, projektant mógłby zwiększyć odległość, aby zawrzeć cały zakres czujnika ultradźwiękowego (obecnie jesteśmy w stanie sklasyfikować połowę zakresu od 0 m do 2 m, a pełny zakres to od 0 m do 4 m). Innym możliwym ulepszeniem byłoby przekonwertowanie mierzonego dystansu impulsu echa na wyświetlanie na wyświetlaczach BCD lub wyświetlaczach LCD.

Wniosek

W tej instrukcji zaimplementowano cyfrowy ultradźwiękowy czujnik odległości przy użyciu modułu GreenPAK jako jednostki sterującej do sterowania czujnikiem i interpretowania sygnału wyjściowego impulsu echa. GreenPAK implementuje ASM wraz z kilkoma innymi wewnętrznymi komponentami do sterowania systemem.

Oprogramowanie rozwojowe i płyta rozwojowa GreenPAK okazały się doskonałymi narzędziami do szybkiego prototypowania i symulacji podczas procesu rozwoju. Zasoby wewnętrzne GreenPAK, w tym ASM, oscylatory, logikę i GPIO, były łatwe do skonfigurowania, aby zaimplementować pożądaną funkcjonalność dla tego projektu.