การวัดระยะทางแบบดิจิตอล DIY ด้วยอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก: 5 ขั้นตอน

2024 ผู้เขียน: John Day | [email protected]. แก้ไขล่าสุด: 2024-01-30 13:03

เป้าหมายของคำแนะนำนี้คือการออกแบบเซ็นเซอร์วัดระยะทางแบบดิจิตอลโดยใช้ GreenPAK SLG46537 ระบบได้รับการออกแบบโดยใช้ ASM และส่วนประกอบอื่นๆ ภายใน GreenPAK เพื่อโต้ตอบกับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

ระบบได้รับการออกแบบมาเพื่อควบคุมบล็อกแบบ one-shot ซึ่งจะสร้างพัลส์ทริกเกอร์ที่มีความกว้างที่จำเป็นสำหรับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและจำแนกสัญญาณสะท้อนกลับ (สัดส่วนกับระยะทางที่วัดได้) ออกเป็น 8 หมวดหมู่ระยะทาง

อินเทอร์เฟซที่ออกแบบมาสามารถใช้ขับเซ็นเซอร์วัดระยะทางแบบดิจิตอลเพื่อใช้ในการใช้งานที่หลากหลาย เช่น ระบบช่วยจอดรถ หุ่นยนต์ ระบบเตือน เป็นต้น

ด้านล่างนี้ เราได้อธิบายขั้นตอนที่จำเป็นในการทำความเข้าใจว่าโซลูชันได้รับการตั้งโปรแกรมเพื่อสร้างการวัดระยะทางแบบดิจิทัลด้วยอินเทอร์เฟซของเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกอย่างไร อย่างไรก็ตาม หากคุณต้องการเพียงผลลัพธ์ของการเขียนโปรแกรม ให้ดาวน์โหลดซอฟต์แวร์ GreenPAK เพื่อดู GreenPAK Design File ที่เสร็จสมบูรณ์แล้ว เสียบ GreenPAK Development Kit เข้ากับคอมพิวเตอร์ของคุณและกดโปรแกรมเพื่อสร้างการวัดระยะทางแบบดิจิทัลด้วยอินเทอร์เฟซเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก

ขั้นตอนที่ 1: เชื่อมต่อกับ Digital Ultrasonic Sensor

ระบบที่ออกแบบจะส่งพัลส์ทริกเกอร์ไปยังเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกทุกๆ 100 มิลลิวินาที ส่วนประกอบภายใน GreenPAK ร่วมกับ ASM จะดูแลการจัดประเภทสัญญาณสะท้อนกลับจากเซ็นเซอร์ ASM ที่ออกแบบใช้ 8 สถานะ (สถานะ 0 ถึง 7) เพื่อจำแนกเสียงสะท้อนจากเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกโดยใช้เทคนิคการเปลี่ยนสถานะซ้ำ ๆ เมื่อระบบรอสัญญาณสะท้อน ด้วยวิธีนี้ ยิ่ง ASM เคลื่อนผ่านรัฐมากเท่าใด ไฟ LED ก็ยิ่งสว่างน้อยลงเท่านั้น

เนื่องจากระบบทำการวัดอย่างต่อเนื่องทุกๆ 100 มิลลิวินาที (10 ครั้งต่อวินาที) จะเห็นการเพิ่มขึ้นหรือลดลงของระยะทางที่วัดด้วยเซ็นเซอร์ได้ง่าย

ขั้นตอนที่ 2: เซ็นเซอร์ระยะอัลตราโซนิก

เซ็นเซอร์ที่จะใช้กับแอปพลิเคชันนี้คือ HC-SR04 ซึ่งแสดงด้วยรูปที่ 1 ต่อไปนี้

เซ็นเซอร์ใช้แหล่งจ่าย 5 V ที่พินซ้ายสุดและการเชื่อมต่อ GND ที่พินขวาสุด มีอินพุทหนึ่งอัน คือสัญญาณทริกเกอร์ และหนึ่งเอาต์พุต ซึ่งเป็นสัญญาณเอคโค่ GreenPAK สร้างพัลส์ทริกเกอร์ที่เหมาะสมสำหรับเซ็นเซอร์ (10 เราตามแผ่นข้อมูลของเซ็นเซอร์) และวัดสัญญาณพัลส์สะท้อนที่สอดคล้องกัน (สัดส่วนกับระยะทางที่วัดได้) ที่เซ็นเซอร์ให้มา

ตรรกะทั้งหมดได้รับการตั้งค่าภายใน GreenPAK โดยใช้ ASM, บล็อกการหน่วงเวลา, ตัวนับ, ออสซิลเลเตอร์, D flipflops และส่วนประกอบแบบ one-shot ส่วนประกอบนี้ใช้เพื่อสร้างพัลส์ทริกเกอร์อินพุตที่จำเป็นสำหรับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกและจำแนกชีพจรสะท้อนกลับตามสัดส่วนกับระยะทางที่วัดเป็นโซนระยะทางตามรายละเอียดในส่วนต่อไปนี้

การเชื่อมต่อที่จำเป็นสำหรับโครงการแสดงในรูปที่ 2

ทริกเกอร์อินพุตที่เซ็นเซอร์ร้องขอเป็นเอาต์พุตที่สร้างโดย GreenPAK และเอาต์พุตเสียงสะท้อนของเซ็นเซอร์นั้นใช้เพื่อวัดระยะทางโดย GreenPAK สัญญาณภายในของระบบจะขับเคลื่อนส่วนประกอบแบบช็อตเดียวเพื่อสร้างพัลส์ที่ต้องการเพื่อกระตุ้นเซ็นเซอร์ และจะมีการจำแนกเสียงสะท้อนที่ย้อนกลับ โดยใช้ D flip-flops, บล็อกลอจิก (LUT และอินเวอร์เตอร์) และบล็อกตัวนับ โซนระยะทาง 8 รองเท้าแตะ D ที่ส่วนท้ายจะเก็บการจำแนกประเภทบน LED เอาต์พุตจนกว่าการวัดครั้งต่อไปจะเสร็จสิ้น (10 การวัดต่อวินาที)

ขั้นตอนที่ 3: สร้างความตระหนักด้วย GreenPAK Designer

การออกแบบนี้จะแสดงให้เห็นถึงการทำงานของเครื่องสถานะของ GreenPAK เนื่องจากมีแปดสถานะภายในเครื่องสถานะที่เสนอ GreenPAK SLG46537 จึงเหมาะสมสำหรับแอปพลิเคชัน เครื่องได้รับการออกแบบบนซอฟต์แวร์ GreenPAK Designer ดังแสดงในรูปที่ 3 และคำจำกัดความของเอาต์พุตถูกตั้งค่าบนไดอะแกรม RAM ของรูปที่ 4

แผนภาพเต็มรูปแบบของวงจรที่ออกแบบมาสำหรับแอปพลิเคชันสามารถดูได้ในรูปที่ 5 บล็อกและฟังก์ชันต่างๆ อธิบายไว้หลังจากรูปที่ 5

ดังที่เห็นในรูปที่ 3 รูปที่ 4 และรูปที่ 5 ระบบได้รับการออกแบบให้ทำงานในสถานะตามลำดับเพื่อสร้างพัลส์ทริกเกอร์ 10 us สำหรับเซ็นเซอร์ระยะอัลตราโซนิกโดยใช้บล็อก CNT2 / DLY2 เป็นส่วนประกอบแบบ one-shot ร่วมกัน ด้วยนาฬิกา 25 MHz จาก OSC1 CLK เพื่อสร้างสัญญาณบนเอาต์พุต PIN4 TRIG_OUT ส่วนประกอบแบบช็อตเดียวนี้ถูกทริกเกอร์โดยตัวนับ CNT4/DLY4 (OSC0 CLK/12 = นาฬิกา 2kHz) ทุกๆ 100 มิลลิวินาที โดยจะทริกเกอร์เซ็นเซอร์ 10 ครั้งต่อวินาที สัญญาณเอคโค่ซึ่งมีเวลาแฝงเป็นสัดส่วนกับระยะทางที่วัดได้ มาจากอินพุต PIN2 ECHO ชุดของส่วนประกอบ DFF4 และ DFF4, CNT3/DLY3, LUT9 สร้างความล่าช้าเพื่อติดตามสถานะของ ASM ดังสามารถเห็นได้ใน รูปที่ 3 และ รูปที่ 4 ยิ่งระบบเคลื่อนที่ผ่านรัฐมากเท่าใด เอาต์พุตก็จะน้อยลงเท่านั้น

ขั้นตอนของโซนระยะทางคือ 1.48 ms (สัญญาณสะท้อน) ซึ่งเพิ่มขึ้นทีละ 0.25 ซม. ดังแสดงในสูตร 1 ด้วยวิธีนี้เราจะมีโซนระยะทาง 8 โซนจาก 0 ถึง 2 ม. ในขั้นตอน 25 ซม. ดังแสดงใน ตารางที่ 1.

ขั้นตอนที่ 4: ผลลัพธ์

ในการทดสอบการออกแบบ การกำหนดค่าที่ใช้กับเครื่องมือจำลองที่จัดเตรียมโดยซอฟต์แวร์นั้นสามารถดูได้ในรูปที่ 6 การเชื่อมต่อบนพินของซอฟต์แวร์การจำลองสามารถเห็นได้หลังจากนั้นในตารางที่ 2

การทดสอบการจำลองแสดงให้เห็นว่าการออกแบบทำงานตามที่คาดไว้โดยจัดให้มีระบบอินเทอร์เฟซเพื่อโต้ตอบกับเซ็นเซอร์อัลตราโซนิก เครื่องมือจำลองที่จัดทำโดย GreenPAK ได้พิสูจน์ตัวเองว่าเป็นเครื่องมือจำลองที่ยอดเยี่ยมในการทดสอบตรรกะการออกแบบโดยไม่ต้องตั้งโปรแกรมชิปและสภาพแวดล้อมที่ดีในการรวมกระบวนการพัฒนา

การทดสอบวงจรทำโดยใช้แหล่งจ่ายไฟภายนอก 5 V (ออกแบบและพัฒนาโดยผู้เขียนเช่นกัน) เพื่อให้แรงดันเซ็นเซอร์ระบุ รูปที่ 7 แสดงแหล่งภายนอกที่ใช้ (020 V แหล่งภายนอก)

ในการทดสอบวงจร เอาต์พุตเสียงสะท้อนจากเซ็นเซอร์จะเชื่อมต่อกับอินพุตของ PIN2 และอินพุตทริกเกอร์เชื่อมต่อกับ PIN4 ด้วยการเชื่อมต่อนั้น เราสามารถทดสอบวงจรสำหรับแต่ละช่วงของระยะทางที่ระบุในตารางที่ 1 และผลลัพธ์ที่ได้มีดังนี้ รูปที่ 8 รูปที่ 9 รูปที่ 10 รูปที่ 11 รูปที่ 12 รูปที่ 13 รูปที่ 14 รูป 15 และรูปที่ 16

ผลการทดลองพิสูจน์ว่าวงจรทำงานได้ตามที่คาดไว้ และโมดูล GreenPAK สามารถทำหน้าที่เป็นส่วนต่อประสานสำหรับเซ็นเซอร์วัดระยะอัลตราโซนิก จากการทดสอบ วงจรที่ออกแบบสามารถใช้เครื่องสถานะและส่วนประกอบภายในเพื่อสร้างพัลส์ทริกเกอร์ที่จำเป็น และจำแนกเสียงสะท้อนที่ย้อนกลับเป็นหมวดหมู่ที่ระบุ (ด้วยขั้นตอน 25 ซม.) การวัดเหล่านี้ทำด้วยระบบออนไลน์ โดยวัดทุกๆ 100 มิลลิวินาที (10 ครั้งต่อวินาที) แสดงว่าวงจรทำงานได้ดีสำหรับการวัดระยะทางอย่างต่อเนื่อง เช่น อุปกรณ์ช่วยจอดรถ และอื่นๆ

ขั้นตอนที่ 5: การเพิ่มที่เป็นไปได้

ในการดำเนินการปรับปรุงเพิ่มเติมในโครงการ ผู้ออกแบบสามารถเพิ่มระยะทางเพื่อห่อหุ้มช่วงเซ็นเซอร์อัลตราโซนิกทั้งหมดได้ (ขณะนี้ เราสามารถจำแนกช่วงครึ่งหนึ่งจาก 0 ม. ถึง 2 ม. และช่วงที่สมบูรณ์คือตั้งแต่ 0 ม. ถึง 4 ม.). การปรับปรุงที่เป็นไปได้อีกประการหนึ่งคือการแปลงระยะชีพจรสะท้อนที่วัดให้แสดงในจอ BCD หรือจอ LCD

บทสรุป

ในคำแนะนำนี้ เซ็นเซอร์ระยะอัลตราโซนิกแบบดิจิตอลถูกนำมาใช้โดยใช้โมดูล GreenPAK เป็นหน่วยควบคุมเพื่อขับเคลื่อนเซ็นเซอร์และตีความเอาต์พุตพัลส์เสียงสะท้อน GreenPAK ใช้ ASM ร่วมกับส่วนประกอบภายในอื่นๆ เพื่อขับเคลื่อนระบบ

ซอฟต์แวร์การพัฒนา GreenPAK และบอร์ดพัฒนาได้รับการพิสูจน์แล้วว่าเป็นเครื่องมือที่ยอดเยี่ยมสำหรับการสร้างต้นแบบและการจำลองที่รวดเร็วในระหว่างกระบวนการพัฒนา ทรัพยากรภายในของ GreenPAK ซึ่งรวมถึง ASM, ออสซิลเลเตอร์, ลอจิก และ GPIO นั้นง่ายต่อการกำหนดค่าเพื่อใช้งานฟังก์ชันที่ต้องการสำหรับการออกแบบนี้