Misurazione digitale della distanza fai-da-te con interfaccia sensore a ultrasuoni: 5 passaggi

2024 Autore: John Day | [email protected]. Ultima modifica: 2024-01-30 10:01

L'obiettivo di questo Instructable è progettare un sensore di distanza digitale con l'aiuto di un GreenPAK SLG46537. Il sistema è progettato utilizzando l'ASM e altri componenti all'interno del GreenPAK per interagire con un sensore a ultrasuoni.

Il sistema è progettato per controllare un blocco one-shot, che genererà l'impulso di trigger con la larghezza necessaria per il sensore a ultrasuoni e classificherà il segnale di eco di ritorno (proporzionale alla distanza misurata) in 8 categorie di distanza.

L'interfaccia progettata può essere utilizzata per pilotare un sensore di distanza digitale da utilizzare in un'ampia varietà di applicazioni, come sistemi di assistenza al parcheggio, robotica, sistemi di allarme, ecc.

Di seguito abbiamo descritto i passaggi necessari per capire come è stata programmata la soluzione per creare la misurazione digitale della distanza con l'interfaccia del sensore a ultrasuoni. Tuttavia, se desideri solo ottenere il risultato della programmazione, scarica il software GreenPAK per visualizzare il file di progettazione GreenPAK già completato. Collega il kit di sviluppo GreenPAK al tuo computer e premi il programma per creare la misurazione digitale della distanza con l'interfaccia del sensore a ultrasuoni.

Passaggio 1: interfaccia con sensore digitale a ultrasuoni

Il sistema progettato invia impulsi di trigger al sensore a ultrasuoni ogni 100 ms. I componenti interni di GreenPAK, insieme all'ASM, sovrintendono alla classificazione del segnale di eco di ritorno dal sensore. L'ASM progettato utilizza 8 stati (stati da 0 a 7) per classificare l'eco dal sensore a ultrasuoni utilizzando la tecnica della transizione iterativa attraverso gli stati mentre il sistema attende il segnale eco. In questo modo, più l'ASM attraversa gli stati, meno LED si accendono.

Poiché il sistema continua a misurare ogni 100 ms (10 volte al secondo) diventa facile vedere l'aumento o la diminuzione delle distanze misurate con il sensore.

Passaggio 2: sensore di distanza ad ultrasuoni

Il sensore da utilizzare in questa applicazione è l'HC-SR04, illustrato nella seguente Figura 1.

Il sensore utilizza una sorgente da 5 V sul pin più a sinistra e la connessione GND sul pin più a destra. Ha un ingresso, che è il segnale di trigger, e un'uscita, che è il segnale di eco. Il GreenPAK genera un impulso di trigger appropriato per il sensore (10 us secondo la scheda tecnica del sensore) e misura il corrispondente segnale di impulso di eco (proporzionale alla distanza misurata) fornito dal sensore.

Tutta la logica è impostata all'interno del GreenPAK utilizzando l'ASM, i blocchi di ritardo, i contatori, gli oscillatori, i flipflop D e i componenti one-shot. I componenti vengono utilizzati per generare l'impulso di attivazione in ingresso richiesto per il sensore a ultrasuoni e classificare l'impulso di eco di ritorno proporzionale alla distanza misurata in zone di distanza come dettagliato nelle sezioni seguenti.

Le connessioni necessarie per il progetto sono mostrate in Figura 2.

L'input trigger richiesto dal sensore è un'uscita generata dal GreenPAK e l'uscita eco del sensore viene utilizzata per misurare la distanza dal GreenPAK. I segnali interni del sistema guideranno un componente one-shot per generare l'impulso richiesto per attivare il sensore e l'eco di ritorno sarà classificato, utilizzando flip-flop D, blocchi logici (LUT e inverter) e un blocco contatore, in le 8 zone di distanza. I flip-flop D alla fine manterranno la classificazione sui LED di uscita fino al completamento della misura successiva (10 misure al secondo).

Passaggio 3: realizzazione con GreenPAK Designer

Questo progetto dimostrerà la funzionalità della macchina a stati del GreenPAK. Poiché ci sono otto stati all'interno della macchina a stati proposta, GreenPAK SLG46537 è appropriato per l'applicazione. La macchina è stata progettata sul software GreenPAK Designer come mostrato nella Figura 3 e le definizioni delle uscite sono impostate sul diagramma RAM della Figura 4.

Lo schema completo del circuito progettato per l'applicazione è visibile in Figura 5. I blocchi e le loro funzionalità sono descritti dopo la Figura 5.

Come si può vedere in Figura 3, Figura 4 e Figura 5, il sistema è progettato per funzionare in ordine sequenziale per generare un impulso di trigger di 10 us per il sensore di distanza a ultrasuoni, utilizzando il blocco CNT2/DLY2 come componente unico insieme con il clock 25 MHz da OSC1 CLK, per generare il segnale sull'uscita PIN4 TRIG_OUT. Questo componente one-shot viene attivato dal blocco contatore CNT4/DLY4 (OSC0 CLK/12 = clock 2kHz) ogni 100 ms, attivando il sensore 10 volte al secondo. Il segnale dell'eco, la cui latenza è proporzionale alla distanza misurata, proviene dall'ingresso ECHO del PIN2. L'insieme dei componenti DFF4 e DFF4, CNT3/DLY3, LUT9 creano il ritardo da seguire attraverso gli stati dell'ASM. Come si può vedere nella Figura 3 e nella Figura 4, più il sistema attraversa gli stati, meno uscite vengono attivate.

I passi delle zone di distanza sono di 1,48 ms (segnale eco), che è proporzionale a incrementi di 0,25 cm, come mostrato in Formula 1. In questo modo abbiamo 8 zone di distanza, da 0 a 2 m in passi di 25 cm, come mostrato in Tabella 1.

Passaggio 4: risultati

Per testare il progetto, la configurazione utilizzata sullo strumento di emulazione fornito dal software può essere vista nella Figura 6. Le connessioni sui pin del software di emulazione possono essere visualizzate dopo nella Tabella 2.

I test di emulazione mostrano che il design funziona come previsto fornendo un sistema di interfaccia per interagire con il sensore a ultrasuoni. Lo strumento di emulazione fornito da GreenPAK si è dimostrato un ottimo strumento di simulazione per testare la logica di progettazione senza programmare il chip e un buon ambiente per integrare il processo di sviluppo.

I test del circuito sono stati effettuati utilizzando una sorgente esterna a 5 V (anch'essa progettata e sviluppata dall'autore) al fine di fornire la tensione nominale del sensore. La Figura 7 mostra la sorgente esterna utilizzata (sorgente esterna a 020 V).

Per testare il circuito, l'uscita eco dal sensore è stata collegata all'ingresso del PIN2 e l'ingresso trigger è stato collegato al PIN4. Con quella connessione, abbiamo potuto testare il circuito per ciascuno degli intervalli di distanza specificati in Tabella 1 e i risultati sono stati i seguenti in Figura 8, Figura 9, Figura 10, Figura 11, Figura 12, Figura 13, Figura 14, Figura 15 e Figura 16.

I risultati dimostrano che il circuito funziona come previsto e il modulo GreenPAK è in grado di fungere da interfaccia per il sensore di distanza a ultrasuoni. Dalle prove, il circuito progettato potrebbe utilizzare la macchina a stati e i componenti interni per generare l'impulso di trigger richiesto e classificare l'echo lag di ritorno nelle categorie specificate (con passi di 25 cm). Queste misurazioni sono state effettuate con il sistema online, misurando ogni 100 ms (10 volte al secondo), dimostrando che il circuito funziona bene per applicazioni di misurazione continua della distanza, come dispositivi di assistenza al parcheggio e così via.

Passaggio 5: possibili aggiunte

Per implementare ulteriori miglioramenti sul progetto, il progettista potrebbe aumentare la distanza per incapsulare l'intera gamma di sensori a ultrasuoni (attualmente siamo in grado di classificare metà della gamma da 0 m a 2 m e la gamma completa è compresa tra 0 m e 4 m). Un altro possibile miglioramento sarebbe convertire l'impulso di eco misurato a distanza da visualizzare in display BCD o display LCD.

Conclusione

In questo Instructable è stato implementato un sensore di distanza ultrasonico digitale utilizzando il modulo GreenPAK come unità di controllo per azionare il sensore e interpretare la sua uscita dell'impulso di eco. Il GreenPAK implementa un ASM insieme a molti altri componenti interni per guidare il sistema.

Il software di sviluppo GreenPAK e la scheda di sviluppo si sono rivelati strumenti eccellenti per la prototipazione rapida e la simulazione durante il processo di sviluppo. Le risorse interne di GreenPAK, inclusi ASM, oscillatori, logica e GPIO, sono state facili da configurare per implementare la funzionalità desiderata per questo progetto.