Mesure de distance numérique bricolage avec interface de capteur à ultrasons : 5 étapes

2024 Auteur: John Day | [email protected]. Dernière modifié: 2024-01-30 09:06

L'objectif de ce Instructable est de concevoir un capteur de distance numérique à l'aide d'un GreenPAK SLG46537. Le système est conçu à l'aide de l'ASM et d'autres composants du GreenPAK pour interagir avec un capteur à ultrasons.

Le système est conçu pour contrôler un bloc monocoup, qui générera l'impulsion de déclenchement avec la largeur nécessaire pour le capteur à ultrasons et classera le signal d'écho de retour (proportionnel à la distance mesurée) en 8 catégories de distance.

L'interface conçue peut être utilisée pour piloter un capteur de distance numérique à utiliser dans une grande variété d'applications, telles que les systèmes d'aide au stationnement, la robotique, les systèmes d'avertissement, etc.

Ci-dessous, nous avons décrit les étapes nécessaires pour comprendre comment la solution a été programmée pour créer la mesure de distance numérique avec une interface de capteur à ultrasons. Cependant, si vous souhaitez simplement obtenir le résultat de la programmation, téléchargez le logiciel GreenPAK pour afficher le fichier de conception GreenPAK déjà complété. Branchez le kit de développement GreenPAK à votre ordinateur et appuyez sur programme pour créer la mesure de distance numérique avec l'interface de capteur à ultrasons.

Étape 1: Interface avec le capteur à ultrasons numérique

Le système conçu envoie des impulsions de déclenchement au capteur à ultrasons toutes les 100 ms. Les composants internes du GreenPAK, ainsi que l'ASM, supervisent la classification du signal d'écho renvoyé par le capteur. L'ASM conçu utilise 8 états (états 0 à 7) pour classer l'écho du capteur à ultrasons en utilisant la technique de transition itérative à travers les états pendant que le système attend le signal en écho. De cette façon, plus l'ASM avance dans les états, moins les LED s'allument.

Comme le système continue de mesurer toutes les 100 ms (10 fois par seconde), il devient facile de voir l'augmentation ou la diminution des distances mesurées avec le capteur.

Étape 2: Capteur de distance à ultrasons

Le capteur à utiliser sur cette application est le HC-SR04, qui est illustré par la figure 1 suivante.

Le capteur utilise une source 5 V sur la broche la plus à gauche et la connexion GND sur la broche la plus à droite. Il a une entrée, qui est le signal de déclenchement, et une sortie, qui est le signal d'écho. Le GreenPAK génère une impulsion de déclenchement appropriée pour le capteur (10 us selon la fiche technique du capteur) et mesure le signal d'impulsion d'écho correspondant (proportionnel à la distance mesurée) fourni par le capteur.

Toute la logique est définie dans le GreenPAK à l'aide de l'ASM, des blocs de retard, des compteurs, des oscillateurs, des bascules D et des composants monocoup. Les composants sont utilisés pour générer l'impulsion de déclenchement d'entrée requise pour le capteur à ultrasons et classer l'impulsion d'écho de retour proportionnelle à la distance mesurée en zones de distance comme détaillé dans les sections suivantes.

Les connexions nécessaires au projet sont illustrées à la figure 2.

Le déclencheur d'entrée demandé par le capteur est une sortie générée par le GreenPAK, et la sortie d'écho du capteur est utilisée pour mesurer la distance par le GreenPAK. Les signaux internes du système piloteront un composant monocoup pour générer l'impulsion requise pour déclencher le capteur et l'écho de retour sera classé, à l'aide de bascules D, de blocs logiques (LUT et inverseur) et d'un bloc compteur, en les 8 zones de distance. Les bascules D à la fin maintiendront la classification sur les LED de sortie jusqu'à ce que la prochaine mesure soit effectuée (10 mesures par seconde).

Étape 3: Réalisation avec GreenPAK Designer

Cette conception démontrera la fonctionnalité de la machine d'état du GreenPAK. Puisqu'il y a huit états dans la machine d'état proposée, le GreenPAK SLG46537 est approprié pour l'application. La machine a été conçue sur le logiciel GreenPAK Designer comme le montre la figure 3, et les définitions de sorties sont définies sur le diagramme RAM de la figure 4.

Le schéma complet du circuit conçu pour l'application est visible sur la figure 5. Les blocs et leurs fonctionnalités sont décrits après la figure 5.

Comme on peut le voir sur la figure 3, la figure 4 et la figure 5, le système est conçu pour fonctionner dans un ordre séquentiel afin de générer une impulsion de déclenchement de 10 us pour le capteur de distance à ultrasons, en utilisant le bloc CNT2/DLY2 comme composant unique ensemble avec l'horloge 25 MHz de OSC1 CLK, pour générer le signal sur la sortie PIN4 TRIG_OUT. Ce composant monocoup est déclenché par le bloc compteur CNT4/DLY4 (OSC0 CLK/12 = horloge 2 kHz) toutes les 100 ms, déclenchant le capteur 10 fois par seconde. Le signal d'écho, dont la latence est proportionnelle à la distance mesurée, provient de l'entrée PIN2 ECHO. L'ensemble des composants DFF4 et DFF4, CNT3/DLY3, LUT9 crée le décalage pour suivre les états de l'ASM. Comme on peut le voir sur les figures 3 et 4, plus le système traverse les états, moins les sorties sont déclenchées.

Les pas des zones de distance sont de 1,48 ms (signal d'écho), ce qui est proportionnel aux incréments de 0,25 cm, comme indiqué dans la formule 1. De cette façon, nous avons 8 zones de distance, de 0 à 2 m par pas de 25 cm, comme indiqué dans Tableau 1.

Étape 4: Résultats

Pour tester la conception, la configuration utilisée sur l'outil d'émulation fourni par le logiciel est visible sur la figure 6. Les connexions sur les broches du logiciel d'émulation sont visibles après celui-ci sur le tableau 2.

Les tests d'émulation montrent que la conception fonctionne comme prévu en fournissant un système d'interface pour interagir avec le capteur à ultrasons. L'outil d'émulation fourni par GreenPAK s'est avéré être un excellent outil de simulation pour tester la logique de conception sans programmer la puce et un bon environnement pour intégrer le processus de développement.

Les tests du circuit ont été effectués à l'aide d'une source externe de 5 V (également conçue et développée par l'auteur) afin de fournir la tension nominale du capteur. La figure 7 montre la source externe utilisée (source externe 020 V).

Pour tester le circuit, la sortie d'écho du capteur a été connectée sur l'entrée de PIN2 et l'entrée de déclenchement a été connectée sur PIN4. Avec cette connexion, nous avons pu tester le circuit pour chacune des plages de distance spécifiées dans le tableau 1 et les résultats étaient les suivants sur la figure 8, la figure 9, la figure 10, la figure 11, la figure 12, la figure 13, la figure 14, la figure 15 et graphique 16.

Les résultats prouvent que le circuit fonctionne comme prévu et que le module GreenPAK est capable de servir d'interface pour le capteur de distance à ultrasons. À partir des tests, le circuit conçu pourrait utiliser la machine à états et les composants internes pour générer l'impulsion de déclenchement requise et classer le retard d'écho de retour dans les catégories spécifiées (avec des pas de 25 cm). Ces mesures ont été effectuées avec le système en ligne, mesurant toutes les 100 ms (10 fois par seconde), montrant que le circuit fonctionne bien pour les applications de mesure de distance en continu, telles que les dispositifs d'aide au stationnement, etc.

Étape 5: Ajouts possibles

Pour mettre en œuvre d'autres améliorations sur le projet, le concepteur pourrait augmenter la distance pour encapsuler toute la plage du capteur à ultrasons (nous sommes actuellement capables de classer la moitié de la plage de 0 m à 2 m, et la plage complète est de 0 m à 4 m). Une autre amélioration possible serait de convertir l'impulsion d'écho mesurée à distance pour qu'elle soit affichée sur des écrans BCD ou des écrans LCD.

Conclusion

Dans ce Instructable, un capteur de distance à ultrasons numérique a été mis en œuvre à l'aide du module GreenPAK comme unité de contrôle pour piloter le capteur et interpréter sa sortie d'impulsion d'écho. Le GreenPAK implémente un ASM ainsi que plusieurs autres composants internes pour piloter le système.

Le logiciel de développement et la carte de développement GreenPAK se sont avérés être d'excellents outils pour le prototypage rapide et la simulation pendant le processus de développement. Les ressources internes du GreenPAK, y compris l'ASM, les oscillateurs, la logique et les GPIO, étaient faciles à configurer pour mettre en œuvre la fonctionnalité souhaitée pour cette conception.