DIY Digital Distance Measurement With Ultrasonic Sensor Interface: 5 βήματα

2024 Συγγραφέας: John Day | [email protected]. Τελευταία τροποποίηση: 2024-01-30 08:33

Ο στόχος αυτού του Instructable είναι να σχεδιάσει έναν ψηφιακό αισθητήρα απόστασης με τη βοήθεια ενός GreenPAK SLG46537. Το σύστημα έχει σχεδιαστεί χρησιμοποιώντας το ASM και άλλα εξαρτήματα του GreenPAK για να αλληλεπιδρά με έναν υπερηχητικό αισθητήρα.

Το σύστημα έχει σχεδιαστεί για να ελέγχει ένα μπλοκ μιας βολής, το οποίο θα δημιουργήσει τον παλμό σκανδάλης με το απαραίτητο πλάτος για τον αισθητήρα υπερήχων και θα ταξινομήσει το σήμα ηχώ που επιστρέφει (ανάλογο με τη μετρούμενη απόσταση) σε 8 κατηγορίες αποστάσεων.

Η διεπαφή που σχεδιάστηκε μπορεί να χρησιμοποιηθεί για την οδήγηση ενός ψηφιακού αισθητήρα απόστασης για χρήση σε μεγάλη ποικιλία εφαρμογών, όπως συστήματα υποβοήθησης στάθμευσης, ρομποτική, συστήματα προειδοποίησης κ.

Παρακάτω περιγράφουμε τα βήματα που απαιτούνται για να καταλάβουμε πώς έχει προγραμματιστεί η λύση για τη δημιουργία της ψηφιακής μέτρησης απόστασης με διεπαφή αισθητήρα υπερήχων. Ωστόσο, εάν θέλετε απλώς να λάβετε το αποτέλεσμα προγραμματισμού, κατεβάστε το λογισμικό GreenPAK για να δείτε το ήδη ολοκληρωμένο GreenPAK Design File. Συνδέστε το GreenPAK Development Kit στον υπολογιστή σας και πατήστε το πρόγραμμα για να δημιουργήσετε την ψηφιακή μέτρηση απόστασης με διεπαφή αισθητήρα υπερήχων.

Βήμα 1: Διασύνδεση με ψηφιακό αισθητήρα υπερήχων

Το σχεδιασμένο σύστημα στέλνει παλμούς σκανδάλης στον αισθητήρα υπερήχων κάθε 100 ms. Τα εσωτερικά στοιχεία GreenPAK, μαζί με το ASM, επιβλέπουν την ταξινόμηση του ηχητικού σήματος που επιστρέφει από τον αισθητήρα. Ο σχεδιασμένος ASM χρησιμοποιεί 8 καταστάσεις (καταστάσεις 0 έως 7) για να ταξινομήσει την ηχώ από τον αισθητήρα υπερήχων χρησιμοποιώντας την τεχνική της επαναληπτικής μετάβασης μέσω των καταστάσεων καθώς το σύστημα περιμένει το ηχητικό σήμα. Με αυτόν τον τρόπο, όσο περνάει ο ASM στις καταστάσεις, τόσο λιγότερα LED ανάβουν.

Καθώς το σύστημα συνεχίζει να μετρά κάθε 100 ms (10 φορές το δευτερόλεπτο), γίνεται εύκολο να δει κανείς την αύξηση ή τη μείωση των αποστάσεων που μετρήθηκαν με τον αισθητήρα.

Βήμα 2: Αισθητήρας υπερήχων απόστασης

Ο αισθητήρας που θα χρησιμοποιηθεί σε αυτήν την εφαρμογή είναι ο HC-SR04, ο οποίος απεικονίζεται με το ακόλουθο σχήμα 1.

Ο αισθητήρας χρησιμοποιεί πηγή 5 V στον αριστερό πείρο και σύνδεση GND στο δεξιό πείρο. Έχει μία είσοδο, που είναι το σήμα σκανδάλης και μία έξοδο, που είναι το σήμα ηχώ. Το GreenPAK δημιουργεί έναν κατάλληλο παλμό σκανδάλης για τον αισθητήρα (10 us σύμφωνα με το φύλλο δεδομένων του αισθητήρα) και μετρά το αντίστοιχο σήμα παλμού ηχώ (ανάλογο με την απόσταση που μετρήθηκε) που παρέχεται από τον αισθητήρα.

Όλη η λογική ορίζεται μέσα στο GreenPAK χρησιμοποιώντας το ASM, τα μπλοκ καθυστέρησης, τους μετρητές, τους ταλαντωτές, τα D flipflops και τα στοιχεία μιας βολής. Τα εξαρτήματα χρησιμοποιούνται για να δημιουργήσουν τον απαιτούμενο παλμό σκανδάλης εισόδου για τον αισθητήρα υπερήχων και να ταξινομήσουν τον παλμό ηχώ που επιστρέφει ανάλογα με την απόσταση που μετράται σε ζώνες απόστασης όπως περιγράφεται λεπτομερώς στις ακόλουθες ενότητες.

Οι συνδέσεις που απαιτούνται για το έργο παρουσιάζονται στο σχήμα 2.

Η σκανδάλη εισόδου που ζητά ο αισθητήρας είναι μια έξοδος που παράγεται από το GreenPAK και η έξοδος ηχώ του αισθητήρα χρησιμοποιείται για τη μέτρηση της απόστασης από το GreenPAK. Τα εσωτερικά σήματα του συστήματος θα οδηγήσουν ένα εξάρτημα μιας βολής για να δημιουργήσουν τον απαιτούμενο παλμό για να ενεργοποιήσουν τον αισθητήρα και η ηχώ που επιστρέφει θα ταξινομηθεί, χρησιμοποιώντας D σαγιονάρες, λογικά μπλοκ (LUT και inverter) και ένα μπλοκ μετρητή, σε οι ζώνες 8 αποστάσεων. Οι σαγιονάρες D στο τέλος θα κρατήσουν την ταξινόμηση στα LED εξόδου μέχρι να γίνει το επόμενο μέτρο (10 μέτρα ανά δευτερόλεπτο).

Βήμα 3: Πραγματοποίηση με τον GreenPAK Designer

Αυτός ο σχεδιασμός θα καταδείξει τη λειτουργική κατάσταση μηχανής του GreenPAK. Δεδομένου ότι υπάρχουν οκτώ καταστάσεις στην προτεινόμενη μηχανή κατάστασης, το GreenPAK SLG46537 είναι κατάλληλο για την εφαρμογή. Το μηχάνημα σχεδιάστηκε στο λογισμικό GreenPAK Designer όπως φαίνεται στο σχήμα 3 και οι ορισμοί εξόδων ορίζονται στο διάγραμμα RAM του σχήματος 4.

Το πλήρες διάγραμμα του κυκλώματος που έχει σχεδιαστεί για την εφαρμογή φαίνεται στο σχήμα 5. Τα μπλοκ και οι λειτουργίες τους περιγράφονται μετά το σχήμα 5.

Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3, στο Σχήμα 4 και στο Σχήμα 5, το σύστημα έχει σχεδιαστεί για να λειτουργεί σε σειρά διαδοχικής κατάστασης για να δημιουργήσει έναν παλμό ενεργοποίησης 10 us για τον υπερηχητικό αισθητήρα απόστασης, χρησιμοποιώντας το μπλοκ CNT2/DLY2 ως ένα συστατικό μαζί. με το ρολόι 25 MHz από το OSC1 CLK, για να παράγει το σήμα στην έξοδο PIN4 TRIG_OUT. Αυτό το στοιχείο μιας λήψης ενεργοποιείται από το μπλοκ μετρητή CNT4/DLY4 (OSC0 CLK/12 = 2kHz ρολόι) κάθε 100 ms, ενεργοποιώντας τον αισθητήρα 10 φορές ανά δευτερόλεπτο. Το ηχητικό σήμα, του οποίου η καθυστέρηση είναι ανάλογη της μετρηθείσας απόστασης, προέρχεται από την είσοδο PIN2 ECHO. Το σύνολο των εξαρτημάτων DFF4 και DFF4, CNT3/DLY3, LUT9 δημιουργεί την υστέρηση για την παρακολούθηση των καταστάσεων του ASM. Όπως φαίνεται στο Σχήμα 3 και στο Σχήμα 4, όσο πιο πέρα το σύστημα διασχίζει τις καταστάσεις, τόσο λιγότερες έξοδοι ενεργοποιούνται.

Τα βήματα των ζωνών απόστασης είναι 1,48 ms (ηχητικό σήμα), το οποίο είναι ανάλογο με προσαυξήσεις 0,25 cm, όπως φαίνεται στον τύπο 1. Με αυτόν τον τρόπο έχουμε 8 ζώνες απόστασης, από 0 έως 2 m σε βήματα 25 cm, όπως φαίνεται στο Τραπέζι 1.

Βήμα 4: Αποτελέσματα

Για να δοκιμάσετε το σχέδιο, η διαμόρφωση που χρησιμοποιείται στο εργαλείο εξομοίωσης που παρέχεται από το λογισμικό μπορεί να φανεί στο Σχήμα 6. Οι συνδέσεις στις ακίδες του λογισμικού εξομοίωσης φαίνονται μετά από αυτό στον Πίνακα 2.

Οι δοκιμές προσομοίωσης δείχνουν ότι ο σχεδιασμός λειτουργεί όπως αναμένεται παρέχοντας ένα σύστημα διασύνδεσης για αλληλεπίδραση με τον αισθητήρα υπερήχων. Το εργαλείο εξομοίωσης που παρέχεται από το GreenPAK αποδείχθηκε ένα εξαιρετικό εργαλείο προσομοίωσης για να δοκιμάσει τη λογική σχεδιασμού χωρίς προγραμματισμό του τσιπ και ένα καλό περιβάλλον για την ενσωμάτωση της διαδικασίας ανάπτυξης.

Οι δοκιμές κυκλώματος έγιναν χρησιμοποιώντας εξωτερική πηγή 5 V (σχεδιάστηκε και αναπτύχθηκε επίσης από τον συγγραφέα) προκειμένου να παρέχεται η ονομαστική τάση αισθητήρα. Το σχήμα 7 δείχνει την εξωτερική πηγή που χρησιμοποιείται (εξωτερική πηγή 020 V).

Για να ελέγξετε το κύκλωμα, η έξοδος ηχώ από τον αισθητήρα συνδέθηκε στην είσοδο του PIN2 και η είσοδος σκανδάλης συνδέθηκε στο PIN4. Με αυτήν τη σύνδεση, θα μπορούσαμε να δοκιμάσουμε το κύκλωμα για κάθε ένα από τα εύρη απόστασης που καθορίζονται στον Πίνακα 1 και τα αποτελέσματα ήταν τα εξής στο Σχήμα 8, Σχήμα 9, Σχήμα 10, Σχήμα 11, Εικόνα 12, Εικόνα 13, Εικόνα 14, Εικόνα 15 και Εικόνα 16.

Τα αποτελέσματα αποδεικνύουν ότι το κύκλωμα λειτουργεί όπως αναμενόταν και η μονάδα GreenPAK είναι ικανή να λειτουργήσει ως διεπαφή για τον υπερηχητικό αισθητήρα απόστασης. Από τις δοκιμές, το κύκλωμα που σχεδιάστηκε θα μπορούσε να χρησιμοποιήσει το μηχάνημα κατάστασης και τα εσωτερικά εξαρτήματα για να δημιουργήσει τον απαιτούμενο παλμό σκανδάλης και να ταξινομήσει την επαναλαμβανόμενη ηχώ καθυστέρηση στις καθορισμένες κατηγορίες (με βήματα 25 εκατοστών). Αυτές οι μετρήσεις έγιναν με το σύστημα online, μετρώντας κάθε 100 ms (10 φορές ανά δευτερόλεπτο), δείχνοντας ότι το κύκλωμα λειτουργεί καλά για εφαρμογές μέτρησης συνεχούς απόστασης, όπως συσκευές υποβοήθησης στάθμευσης αυτοκινήτων και ούτω καθεξής.

Βήμα 5: Πιθανές προσθήκες

Για να υλοποιήσει περαιτέρω βελτιώσεις στο έργο, ο σχεδιαστής θα μπορούσε να αυξήσει την απόσταση για να ενσωματώσει ολόκληρο το εύρος αισθητήρων υπερήχων (επί του παρόντος είμαστε σε θέση να ταξινομήσουμε το μισό εύρος από 0 m σε 2 m και το πλήρες εύρος είναι από 0 m έως 4 m). Μια άλλη πιθανή βελτίωση θα ήταν η μετατροπή της απόστασης που μετράται για να εμφανίζεται σε οθόνες BCD ή οθόνες LCD.

συμπέρασμα

Σε αυτό το Instructable ένας ψηφιακός υπερηχητικός αισθητήρας απόστασης εφαρμόστηκε χρησιμοποιώντας τη μονάδα GreenPAK ως μονάδα ελέγχου για να οδηγήσει τον αισθητήρα και να ερμηνεύσει την έξοδο παλμού ηχώ. Το GreenPAK υλοποιεί έναν ASM μαζί με πολλά άλλα εσωτερικά εξαρτήματα για την οδήγηση του συστήματος.

Το λογισμικό ανάπτυξης και ο πίνακας ανάπτυξης GreenPAK αποδείχθηκαν εξαιρετικά εργαλεία για γρήγορη δημιουργία πρωτοτύπων και προσομοίωση κατά τη διαδικασία ανάπτυξης. Οι εσωτερικοί πόροι του GreenPAK, συμπεριλαμβανομένου του ASM, των ταλαντωτών, της λογικής και των GPIO ήταν εύκολο να διαμορφωθούν για να εφαρμόσουν την επιθυμητή λειτουργικότητα για αυτό το σχέδιο.