Mesura de distància digital de bricolatge amb interfície de sensor ultrasònic: 5 passos

2024 Autora: John Day | [email protected]. Última modificació: 2024-01-30 08:12

L’objectiu d’aquest instructiu és dissenyar un sensor de distància digital amb l’ajut d’un GreenPAK SLG46537. El sistema està dissenyat mitjançant l'ASM i altres components del GreenPAK per interactuar amb un sensor d'ultrasons.

El sistema està dissenyat per controlar un bloc d’un sol tret, que generarà el pols d’activació amb l’amplada necessària per al sensor d’ultrasons i classificarà el senyal de ressò de retorn (proporcional a la distància mesurada) en 8 categories de distància.

La interfície dissenyada es pot utilitzar per conduir un sensor de distància digital que s'utilitzarà en una àmplia varietat d'aplicacions, com ara sistemes d'assistència a l'estacionament, robòtica, sistemes d'alerta, etc.

A continuació, es descriuen els passos necessaris per entendre com s'ha programat la solució per crear la mesura digital de la distància amb una interfície de sensor ultrasònic. Tot i això, si només voleu obtenir el resultat de la programació, descarregueu-vos el programari GreenPAK per veure el fitxer de disseny GreenPAK ja completat. Connecteu el kit de desenvolupament GreenPAK a l'ordinador i premeu el programa per crear la mesura digital de la distància amb la interfície del sensor d'ultrasons.

Pas 1: interfície amb sensor d'ultrasons digital

El sistema dissenyat envia polsos d’activació al sensor d’ultrasons cada 100 ms. Els components interns de GreenPAK, juntament amb l’ASM, supervisen la classificació del senyal de ressò del sensor. El sistema ASM dissenyat fa servir vuit estats (estats de 0 a 7) per classificar l'eco del sensor d'ultrasons mitjançant la tècnica de transició iterativa a través dels estats mentre el sistema espera el senyal de ressò. D’aquesta manera, com més ASM travessa els estats, menys LED s’encenen.

Com que el sistema continua mesurant cada 100 ms (10 vegades per segon), es fa fàcil veure l’augment o la disminució de les distàncies mesurades amb el sensor.

Pas 2: sensor de distància per ultrasons

El sensor que s’utilitzarà en aquesta aplicació és l’HC-SR04, que s’il·lustra amb la següent figura 1.

El sensor utilitza una font de 5 V al pin més esquerre i la connexió GND al pin més dret. Té una entrada, que és el senyal d’activació, i una sortida, que és el senyal d’eco. El GreenPAK genera un pols d’activació adequat per al sensor (10 us segons la fitxa tècnica del sensor) i mesura el senyal de pols d’eco corresponent (proporcional a la distància mesurada) que proporciona el sensor.

Tota la lògica es defineix dins del GreenPAK mitjançant ASM, blocs de retard, comptadors, oscil·ladors, xancletes D i components d'una sola tirada. Els components s’utilitzen per generar el pols d’activació d’entrada requerit per al sensor d’ultrasons i classificar el pols de ressò proporcional a la distància mesurada en zones de distància tal com es detalla a les seccions següents.

Les connexions necessàries per al projecte es mostren a la figura 2.

El disparador d’entrada sol·licitat pel sensor és una sortida generada pel GreenPAK i la sortida d’eco del sensor s’utilitza per mesurar la distància mitjançant el GreenPAK. Els senyals interns del sistema impulsaran un component d’una sola tirada per generar el pols necessari per activar el sensor i es classificarà l’eco de retorn, utilitzant xancletes D, blocs lògics (LUT i inversor) i un bloc de comptador, a les 8 zones de distància. Les xancletes D al final mantindran la classificació dels LED de sortida fins que es faci la següent mesura (10 mesures per segon).

Pas 3: realització amb GreenPAK Designer

Aquest disseny demostrarà la funcionalitat de la màquina d'estats del GreenPAK. Com que hi ha vuit estats dins de la màquina d'estats proposada, el GreenPAK SLG46537 és adequat per a l'aplicació. La màquina es va dissenyar amb el programari GreenPAK Designer, tal com es mostra a la figura 3, i les definicions de les sortides s’estableixen al diagrama RAM de la figura 4.

El diagrama complet del circuit dissenyat per a l'aplicació es pot veure a la figura 5. Els blocs i les seves funcionalitats es descriuen després de la figura 5.

Com es pot veure a la figura 3, la figura 4 i la figura 5, el sistema està dissenyat per funcionar en ordre d’estat seqüencial per generar un impuls d’activació de 10 us per al sensor de distància ultrasònic, mitjançant el bloc CNT2 / DLY2 com a component d’un sol cop amb el rellotge de 25 MHz d’OSC1 CLK, per generar el senyal a la sortida PIN4 TRIG_OUT. Aquest component d'una sola acció s'activa mitjançant el bloc de comptadors CNT4 / DLY4 (OSC0 CLK / 12 = rellotge de 2 kHz) cada 100 ms, que activa el sensor 10 vegades per segon. El senyal d’eco, la latència del qual és proporcional a la distància mesurada, prové de l’entrada PIN2 ECHO. El conjunt de components DFF4 i DFF4, CNT3 / DLY3, LUT9 creen el retard a seguir a través dels estats de l’ASM. Com es pot veure a la figura 3 i la figura 4, a mesura que el sistema travessa els estats, menys sortides es desencadenen.

Els passos de les zones de distància són d’1,48 ms (senyal d’eco), que és proporcional a increments de 0,25 cm, tal com es mostra a la Fórmula 1. D’aquesta manera, tenim 8 zones de distància, de 0 a 2 m en passos de 25 cm, tal com es mostra a Taula 1.

Pas 4: Resultats

Per provar el disseny, es pot veure la configuració utilitzada a l'eina d'emulació proporcionada pel programari a la Figura 6. Les connexions als pins del programari d'emulació es poden veure després de la taula 2.

Les proves d'emulació mostren que el disseny funciona tal com s'esperava, proporcionant un sistema d'interfície per interactuar amb el sensor d'ultrasons. L'eina d'emulació proporcionada per GreenPAK es va demostrar com una gran eina de simulació per provar la lògica de disseny sense programar el xip i un bon entorn per integrar el procés de desenvolupament.

Les proves del circuit es van fer mitjançant una font externa de 5 V (també dissenyada i desenvolupada per l'autor) per proporcionar la tensió nominal del sensor. La figura 7 mostra la font externa utilitzada (font externa de 020 V).

Per provar el circuit, la sortida d’eco del sensor es va connectar a l’entrada del PIN2 i l’entrada del disparador al PIN4. Amb aquesta connexió, podríem provar el circuit per a cadascun dels intervals de distància especificats a la taula 1 i els resultats van ser els següents a la figura 8, figura 9, figura 10, figura 11, figura 12, figura 13, figura 14, figura 15 i Figura 16.

Els resultats demostren que el circuit funciona com s’esperava i que el mòdul GreenPAK és capaç d’actuar com a interfície per al sensor de distància ultrasònic. A partir de les proves, el circuit dissenyat podria utilitzar la màquina d’estats i els components interns per generar el pols d’activació requerit i classificar el retard de retorn en les categories especificades (amb passos de 25 cm). Aquestes mesures es van fer amb el sistema en línia, mesurant cada 100 ms (10 vegades per segon), mostrant que el circuit funciona bé per a aplicacions de mesurament de distància contínues, com ara dispositius d’assistència d’aparcament, etc.

Pas 5: possibles addicions

Per implementar millores addicionals en el projecte, el dissenyador podria augmentar la distància per encapsular tot el rang dels sensors ultrasònics (actualment som capaços de classificar la meitat del rang de 0 m a 2 m i el rang complet és de 0 m a 4 m). Una altra possible millora seria convertir la distància mesurada del pols d’eco que es mostrarà a les pantalles BCD o LCD.

Conclusió

En aquesta instrucció es va implementar un sensor de distància ultrasònic digital mitjançant el mòdul GreenPAK com a unitat de control per conduir el sensor i interpretar la seva sortida de pols de ressò. El GreenPAK implementa un ASM juntament amb altres components interns per conduir el sistema.

El programari de desenvolupament de GreenPAK i el tauler de desenvolupament van demostrar ser excel·lents eines per fer prototips i simulacions ràpids durant el procés de desenvolupament. Els recursos interns de GreenPAK, inclosos els ASM, els oscil·ladors, la lògica i els GPIO, eren fàcils de configurar per implementar la funcionalitat desitjada per a aquest disseny.