DIY digitální měření vzdálenosti s rozhraním ultrazvukového senzoru: 5 kroků

2024 Autor: John Day | [email protected]. Naposledy změněno: 2024-01-30 08:20

Cílem tohoto Instructable je navrhnout digitální snímač vzdálenosti pomocí GreenPAK SLG46537. Systém je navržen pomocí ASM a dalších komponent v rámci GreenPAK pro interakci s ultrazvukovým senzorem.

Systém je určen k ovládání jednorázového bloku, který bude generovat spouštěcí impuls s potřebnou šířkou pro ultrazvukový senzor a zařadí zpětný signál ozvěny (úměrný měřené vzdálenosti) do 8 kategorií vzdálenosti.

Navržené rozhraní lze použít k pohonu digitálního senzoru vzdálenosti, který má být použit v celé řadě aplikací, jako jsou systémy parkovacího asistenta, robotika, výstražné systémy atd.

Níže jsme popsali kroky potřebné k pochopení toho, jak bylo řešení naprogramováno pro vytvoření digitálního měření vzdálenosti pomocí rozhraní ultrazvukového senzoru. Pokud však chcete získat pouze výsledek programování, stáhněte si software GreenPAK a zobrazte již dokončený soubor návrhu GreenPAK. Připojte vývojovou sadu GreenPAK k počítači a spusťte program a vytvořte digitální měření vzdálenosti pomocí rozhraní ultrazvukového senzoru.

Krok 1: Rozhraní s digitálním ultrazvukovým senzorem

Navržený systém odesílá spouštěcí impulsy do ultrazvukového senzoru každých 100 ms. Interní komponenty GreenPAK společně s ASM dohlížejí na klasifikaci vracejícího se signálu ozvěny ze senzoru. Navržený ASM používá 8 stavů (stavy 0 až 7) ke klasifikaci ozvěny z ultrazvukového senzoru pomocí techniky iterativního přechodu mezi stavy, když systém čeká na ozvěnu. Tímto způsobem čím dále ASM prochází stavy, tím méně LED svítí.

Protože systém pokračuje v měření každých 100 ms (10krát za sekundu), je snadné sledovat nárůst nebo pokles vzdáleností měřených senzorem.

Krok 2: Ultrazvukový snímač vzdálenosti

Senzorem použitým v této aplikaci je HC-SR04, který je znázorněn na následujícím obrázku 1.

Senzor používá zdroj 5 V na pinu zcela vlevo a připojení GND na pinu zcela vpravo. Má jeden vstup, což je spouštěcí signál, a jeden výstup, což je signál ozvěny. GreenPAK generuje vhodný spouštěcí impuls pro senzor (10 us podle datového listu senzoru) a měří odpovídající signál echo pulzu (úměrný měřené vzdálenosti) poskytovaný snímačem.

Veškerá logika je v GreenPAK nastavena pomocí ASM, zpožďovacích bloků, čítačů, oscilátorů, D flipflops a jednorázových komponent. Komponenty se používají ke generování požadovaného vstupního spouštěcího impulsu pro ultrazvukový senzor a klasifikaci vracejícího se ozvěny úměrně vzdálenosti měřené do zón vzdálenosti, jak je podrobně popsáno v následujících částech.

Připojení potřebná pro projekt jsou znázorněna na obrázku 2.

Vstupní spoušť požadovaná snímačem je výstup generovaný GreenPAK a výstup ozvěny senzoru se používá k měření vzdálenosti pomocí GreenPAK. Interní signály systému budou pohánět jednorázovou komponentu pro generování požadovaného impulsu pro spuštění senzoru a zpětná ozvěna bude klasifikována pomocí D klopných obvodů, logických bloků (LUT a invertor) a čítače bloku do 8 distančních zón. Žabky D na konci udrží klasifikaci na výstupních LED diodách, dokud nebude provedeno další měření (10 taktů za sekundu).

Krok 3: Realizace s GreenPAK Designer

Tento návrh předvede funkčnost stavového stroje GreenPAK. Protože v navrhovaném stavovém stroji je osm stavů, je pro danou aplikaci vhodný GreenPAK SLG46537. Stroj byl navržen v softwaru GreenPAK Designer, jak je znázorněno na obrázku 3, a definice výstupů jsou nastaveny v diagramu RAM na obrázku 4.

Úplné schéma obvodu navrženého pro danou aplikaci je možné vidět na obrázku 5. Bloky a jejich funkce jsou popsány za obrázkem 5.

Jak je vidět na obrázku 3, obrázku 4 a obrázku 5, systém je navržen tak, aby pracoval v sekvenčním stavu pro generování spouštěcího impulzu 10 us pro ultrazvukový snímač vzdálenosti pomocí bloku CNT2/DLY2 jako jednorázové součásti společně s hodinami 25 MHz z OSC1 CLK, ke generování signálu na výstupu PIN4 TRIG_OUT. Tato jednorázová komponenta je spouštěna blokem čítače CNT4/DLY4 (hodiny OSC0 CLK/12 = 2kHz) každých 100 ms, což spouští senzor 10krát za sekundu. Echo signál, jehož latence je úměrná měřené vzdálenosti, pochází ze vstupu PIN2 ECHO. Sada komponent DFF4 a DFF4, CNT3/DLY3, LUT9 vytváří zpoždění při sledování stavů ASM. Jak je vidět na obrázku 3 a obrázku 4, čím dále systém prochází stavy, tím je aktivováno méně výstupů.

Kroky distančních zón jsou 1,48 ms (signál ozvěny), což je úměrné přírůstkům po 0,25 cm, jak ukazuje vzorec 1. Tak máme 8 distančních zón, od 0 do 2 m v krocích po 25 cm, jak ukazuje Stůl 1.

Krok 4: Výsledky

Chcete -li otestovat návrh, konfiguraci použitou v emulačním nástroji poskytnutém softwarem lze vidět na obrázku 6. Připojení na pinech emulačního softwaru lze vidět za ním v tabulce 2.

Emulační testy ukazují, že konstrukce funguje podle očekávání tím, že poskytuje systém rozhraní pro interakci s ultrazvukovým senzorem. Emulační nástroj poskytovaný společností GreenPAK se osvědčil jako skvělý simulační nástroj pro testování logiky návrhu bez programování čipu a dobrého prostředí pro integraci vývojového procesu.

Obvodové testy byly provedeny s použitím externího zdroje 5 V (také navrženého a vyvinutého autorem) za účelem poskytnutí jmenovitého napětí snímače. Obrázek 7 ukazuje použitý externí zdroj (020 V externí zdroj).

Pro testování obvodu byl výstup ozvěny ze snímače připojen na vstup PIN2 a spouštěcí vstup byl připojen na PIN4. S tímto připojením jsme mohli otestovat obvod pro každý z rozsahů vzdáleností uvedených v tabulce 1 a výsledky byly následující na obrázku 8, obrázku 9, obrázku 10, obrázku 11, obrázku 12, obrázku 13, obrázku 14, obrázku 15 a obrázek 16.

Výsledky dokazují, že obvod funguje podle očekávání a modul GreenPAK je schopen fungovat jako rozhraní pro ultrazvukový snímač vzdálenosti. Z testů by navržený obvod mohl pomocí stavového automatu a vnitřních komponent generovat požadovaný spouštěcí impuls a zařadit zpoždění vracející se ozvěny do uvedených kategorií (s kroky 25 cm). Tato měření byla provedena systémem online, měření každých 100 ms (10krát za sekundu), což ukazuje, že obvod funguje dobře pro aplikace pro kontinuální měření vzdálenosti, jako jsou zařízení pro pomoc při parkování automobilů atd.

Krok 5: Možná přidání

Pro implementaci dalších vylepšení projektu by projektant mohl zvýšit vzdálenost pro zapouzdření celého rozsahu ultrazvukových senzorů (v současné době jsme schopni klasifikovat polovinu rozsahu od 0 m do 2 m a kompletní rozsah je od 0 m do 4 m). Dalším možným vylepšením by bylo převést měřený echo impuls na vzdálenost, který má být zobrazen na BCD displejích nebo LCD displejích.

Závěr

V tomto Instructable byl implementován digitální ultrazvukový senzor vzdálenosti pomocí modulu GreenPAK jako řídicí jednotky pro pohon senzoru a interpretaci jeho echo pulzního výstupu. GreenPAK implementuje ASM spolu s několika dalšími interními komponentami k pohonu systému.

Vývojový software a vývojová deska GreenPAK se osvědčily jako vynikající nástroje pro rychlé prototypování a simulace během vývojového procesu. Interní zdroje GreenPAK, včetně ASM, oscilátorů, logiky a GPIO, bylo možné snadno nakonfigurovat tak, aby implementovaly požadované funkce pro tento design.