Măsurarea digitală a distanței DIY cu interfață senzor cu ultrasunete: 5 pași

2024 Autor: John Day | [email protected]. Modificat ultima dată: 2024-01-30 11:42

Scopul acestui instructabil este de a proiecta un senzor digital de distanță cu ajutorul unui GreenPAK SLG46537. Sistemul este proiectat folosind ASM și alte componente din GreenPAK pentru a interacționa cu un senzor cu ultrasunete.

Sistemul este conceput pentru a controla un bloc unic, care va genera impulsul de declanșare cu lățimea necesară pentru senzorul cu ultrasunete și va clasifica semnalul de ecou returnat (proporțional cu distanța măsurată) în 8 categorii de distanță.

Interfața proiectată poate fi utilizată pentru a conduce un senzor digital de distanță pentru a fi utilizat într-o mare varietate de aplicații, cum ar fi sisteme de asistență la parcare, robotică, sisteme de avertizare etc.

Mai jos am descris pașii necesari pentru a înțelege cum a fost programată soluția pentru a crea măsurarea digitală a distanței cu interfața senzorului cu ultrasunete. Cu toate acestea, dacă doriți doar să obțineți rezultatul programării, descărcați software-ul GreenPAK pentru a vizualiza fișierul de proiectare GreenPAK deja finalizat. Conectați kitul de dezvoltare GreenPAK la computer și apăsați programul pentru a crea măsurarea digitală a distanței cu interfața senzorului cu ultrasunete.

Pasul 1: interfață cu senzor digital cu ultrasunete

Sistemul proiectat trimite impulsuri de declanșare la senzorul cu ultrasunete la fiecare 100 ms. Componentele interne GreenPAK, împreună cu ASM, supraveghează clasificarea semnalului de ecou returnat de la senzor. ASM proiectat folosește 8 stări (stările 0-7) pentru a clasifica ecoul de la senzorul cu ultrasunete utilizând tehnica tranziției iterative prin stări în timp ce sistemul așteaptă semnalul ecou. În acest fel, cu cât ASM trece mai departe prin stări, cu atât mai puține LED-uri se aprind.

Deoarece sistemul continuă să măsoare la fiecare 100 ms (de 10 ori pe secundă), devine ușor să vezi creșterea sau scăderea distanțelor măsurate cu senzorul.

Pasul 2: senzor de distanță cu ultrasunete

Senzorul care trebuie utilizat pe această aplicație este HC-SR04, care este ilustrat cu următoarea figură 1.

Senzorul folosește o sursă de 5 V pe pinul din stânga și conexiunea GND pe pinul din dreapta. Are o intrare, care este semnalul de declanșare, și o ieșire, care este semnalul de ecou. GreenPAK generează un impuls de declanșare adecvat pentru senzor (10 US conform fișei tehnice a senzorului) și măsoară semnalul corespunzător al impulsului de ecou (proporțional cu distanța măsurată) furnizat de senzor.

Toată logica este setată în GreenPAK utilizând ASM, blocuri de întârziere, contoare, oscilatoare, flipflops D și componente one-shot. Componentele sunt utilizate pentru a genera impulsul de declanșare de intrare necesar pentru senzorul cu ultrasunete și pentru a clasifica impulsul de ecou de revenire proporțional cu distanța măsurată în zone de distanță, după cum este detaliat în secțiunile următoare.

Conexiunile necesare pentru proiect sunt prezentate în Figura 2.

Declanșatorul de intrare solicitat de senzor este o ieșire generată de GreenPAK, iar ieșirea ecoului senzorului este utilizată pentru a măsura distanța de către GreenPAK. Semnalele interne ale sistemului vor conduce o componentă one-shot pentru a genera impulsul necesar pentru a declanșa senzorul și ecoul care se întoarce va fi clasificat, utilizând flip-flops D, blocuri logice (LUT și invertor) și un bloc de contor, în cele 8 zone de distanță. Flip-flop-urile D de la sfârșit vor menține clasificarea pe LED-urile de ieșire până când se face următoarea măsură (10 măsuri pe secundă).

Pasul 3: Realizare cu GreenPAK Designer

Acest design va demonstra funcționalitatea mașinii de stare a GreenPAK. Deoarece există opt state în mașina de stat propusă, GreenPAK SLG46537 este adecvat pentru aplicație. Mașina a fost proiectată pe software-ul GreenPAK Designer așa cum se arată în Figura 3, iar definițiile ieșirilor sunt setate pe diagrama RAM din Figura 4.

Schema completă a circuitului proiectat pentru aplicație poate fi văzută în Figura 5. Blocurile și funcționalitățile lor sunt descrise după Figura 5.

Așa cum se poate vedea în Figura 3, Figura 4 și Figura 5, sistemul este proiectat să funcționeze în ordine secvențială pentru a genera un impuls de declanșare de 10 US pentru senzorul de distanță ultrasonic, utilizând blocul CNT2 / DLY2 ca o componentă one-shot împreună cu ceasul de 25 MHz de la OSC1 CLK, pentru a genera semnalul la ieșirea PIN4 TRIG_OUT. Această componentă one-shot este declanșată de blocul de contor CNT4 / DLY4 (OSC0 CLK / 12 = 2kHz clock) la fiecare 100 ms, declanșând senzorul de 10 ori pe secundă. Semnalul de ecou, a cărui latență este proporțională cu distanța măsurată, provine de la intrarea PIN2 ECHO. Setul de componente DFF4 și DFF4, CNT3 / DLY3, LUT9 creează decalajul de urmat prin stările ASM. Așa cum se poate vedea în Figura 3 și Figura 4, cu cât sistemul trece mai departe prin stări, cu atât mai puține ieșiri sunt declanșate.

Pașii zonelor de distanță sunt de 1,48 ms (semnal de ecou), care este proporțional cu trepte de 0,25 cm, așa cum se arată în Formula 1. Astfel avem 8 zone de distanță, de la 0 la 2 m în trepte de 25 cm, așa cum se arată în Tabelul 1.

Pasul 4: Rezultate

Pentru a testa designul, configurația utilizată pe instrumentul de emulare furnizat de software poate fi văzută în Figura 6. Conexiunile de pe pinii software-ului de emulare pot fi văzute după aceasta în Tabelul 2.

Testele de emulare arată că proiectarea funcționează conform așteptărilor, oferind un sistem de interfață pentru a interacționa cu senzorul cu ultrasunete. Instrumentul de emulare furnizat de GreenPAK sa dovedit a fi un instrument de simulare excelent pentru a testa logica de proiectare fără a programa cipul și un mediu bun pentru a integra procesul de dezvoltare.

Testele de circuit au fost făcute folosind o sursă externă de 5 V (proiectată și dezvoltată de autor), pentru a asigura tensiunea nominală a senzorului. Figura 7 prezintă sursa externă utilizată (sursa externă de 020 V).

Pentru a testa circuitul, ieșirea ecoului senzorului a fost conectată la intrarea PIN2, iar intrarea declanșatorului a fost conectată la PIN4. Cu această conexiune, am putea testa circuitul pentru fiecare dintre intervalele de distanță specificate în Tabelul 1, iar rezultatele au fost după cum urmează în Figura 8, Figura 9, Figura 10, Figura 11, Figura 12, Figura 13, Figura 14, Figura 15 și Figura 16.

Rezultatele demonstrează că circuitul funcționează conform așteptărilor, iar modulul GreenPAK este capabil să acționeze ca interfață pentru senzorul de distanță cu ultrasunete. Din teste, circuitul proiectat ar putea utiliza mașina de stare și componentele interne pentru a genera impulsul de declanșare necesar și pentru a clasifica decalajul de ecou care se întoarce în categoriile specificate (cu pași de 25 cm). Aceste măsurători au fost făcute cu sistemul online, măsurând la fiecare 100 ms (de 10 ori pe secundă), arătând că circuitul funcționează bine pentru aplicații de măsurare continuă a distanței, cum ar fi dispozitivele de asistență la parcarea etc.

Pasul 5: Adăugări posibile

Pentru a implementa îmbunătățiri suplimentare asupra proiectului, proiectantul ar putea crește distanța pentru a încapsula întreaga gamă de senzori cu ultrasunete (în prezent suntem capabili să clasificăm jumătate din intervalul de la 0 m la 2 m, iar gama completă este de la 0 m la 4 m). O altă posibilă îmbunătățire ar fi convertirea distanței măsurate a impulsului de ecou care trebuie afișată în afișajele BCD sau afișajele LCD.

Concluzie

În acest instructabil a fost implementat un senzor digital de distanță cu ultrasunete utilizând modulul GreenPAK ca unitate de control pentru a acționa senzorul și a interpreta ieșirea impulsului de ecou. GreenPAK implementează un ASM împreună cu alte câteva componente interne pentru a conduce sistemul.

Software-ul de dezvoltare GreenPAK și placa de dezvoltare s-au dovedit a fi instrumente excelente pentru prototipare rapidă și simulare în timpul procesului de dezvoltare. Resursele interne ale GreenPAK, inclusiv ASM, oscilatoare, logică și GPIO au fost ușor de configurat pentru a implementa funcționalitatea dorită pentru acest design.