Đo khoảng cách kỹ thuật số tự làm với giao diện cảm biến siêu âm: 5 bước

2024 Tác giả: John Day | [email protected]. Sửa đổi lần cuối: 2024-01-30 13:31

Mục tiêu của Thiết bị hướng dẫn này là thiết kế cảm biến khoảng cách kỹ thuật số với sự trợ giúp của GreenPAK SLG46537. Hệ thống được thiết kế bằng cách sử dụng ASM và các thành phần khác trong GreenPAK để tương tác với cảm biến siêu âm.

Hệ thống được thiết kế để điều khiển một khối phát một lần, sẽ tạo ra xung kích hoạt với độ rộng cần thiết cho cảm biến siêu âm và phân loại tín hiệu dội ngược trở lại (tỷ lệ với khoảng cách đo được) thành 8 loại khoảng cách.

Giao diện được thiết kế có thể được sử dụng để điều khiển cảm biến khoảng cách kỹ thuật số được sử dụng trong nhiều ứng dụng khác nhau, chẳng hạn như hệ thống hỗ trợ đỗ xe, robot, hệ thống cảnh báo, v.v.

Dưới đây, chúng tôi mô tả các bước cần thiết để hiểu cách giải pháp đã được lập trình để tạo ra phép đo khoảng cách kỹ thuật số với giao diện cảm biến siêu âm. Tuy nhiên, nếu bạn chỉ muốn lấy kết quả của việc lập trình, hãy tải phần mềm GreenPAK để xem File thiết kế GreenPAK đã hoàn thành. Cắm Bộ phát triển GreenPAK vào máy tính của bạn và nhấn chương trình để tạo phép đo khoảng cách kỹ thuật số với giao diện cảm biến siêu âm.

Bước 1: Giao diện với cảm biến siêu âm kỹ thuật số

Hệ thống được thiết kế sẽ gửi các xung kích hoạt đến cảm biến siêu âm sau mỗi 100 ms. Các thành phần bên trong GreenPAK, cùng với ASM, giám sát việc phân loại tín hiệu dội ngược từ cảm biến. ASM được thiết kế sử dụng 8 trạng thái (trạng thái từ 0 đến 7) để phân loại tiếng vọng từ cảm biến siêu âm bằng cách sử dụng kỹ thuật chuyển đổi lặp đi lặp lại qua các trạng thái khi hệ thống chờ tín hiệu dội lại. Bằng cách này, ASM càng đi qua các trạng thái, càng có ít đèn LED sáng hơn.

Khi hệ thống tiếp tục đo sau mỗi 100 ms (10 lần mỗi giây), nên dễ dàng nhận thấy sự tăng hoặc giảm trên các khoảng cách được đo bằng cảm biến.

Bước 2: Cảm biến khoảng cách siêu âm

Cảm biến được sử dụng trên ứng dụng này là HC-SR04, được minh họa bằng Hình 1 sau đây.

Cảm biến sử dụng nguồn 5 V ở chân ngoài cùng bên trái và kết nối GND ở chân ngoài cùng bên phải. Nó có một đầu vào là tín hiệu kích hoạt và một đầu ra là tín hiệu tiếng vọng. GreenPAK tạo ra một xung kích hoạt thích hợp cho cảm biến (10 chúng tôi theo biểu dữ liệu của cảm biến) và đo tín hiệu xung vọng tương ứng (tỷ lệ với khoảng cách đo được) do cảm biến cung cấp.

Tất cả logic được thiết lập trong GreenPAK bằng cách sử dụng ASM, khối trễ, bộ đếm, bộ dao động, flipflop D và các thành phần một lần. Các thành phần được sử dụng để tạo ra xung kích hoạt đầu vào cần thiết cho cảm biến siêu âm và phân loại xung phản hồi trở lại tỷ lệ với khoảng cách được đo thành các vùng khoảng cách như được trình bày chi tiết trong các phần sau.

Các kết nối cần thiết cho dự án được thể hiện trong Hình 2.

Kích hoạt đầu vào do cảm biến yêu cầu là đầu ra do GreenPAK tạo ra và đầu ra tiếng vọng của cảm biến được sử dụng để đo khoảng cách bởi GreenPAK. Các tín hiệu bên trong của hệ thống sẽ điều khiển một thành phần phát một lần để tạo ra xung cần thiết để kích hoạt cảm biến và tiếng vọng trở lại sẽ được phân loại, sử dụng flip-flops D, khối logic (LUT và biến tần) và khối bộ đếm, thành 8 khu vực khoảng cách. Dép xỏ ngón D ở cuối sẽ giữ phân loại trên các đèn LED đầu ra cho đến khi thực hiện xong phép đo tiếp theo (10 lần đo mỗi giây).

Bước 3: Hiện thực hóa với GreenPAK Designer

Thiết kế này sẽ thể hiện chức năng máy trạng thái của GreenPAK. Vì có tám trạng thái trong máy trạng thái được đề xuất, GreenPAK SLG46537 thích hợp cho ứng dụng. Máy được thiết kế trên phần mềm GreenPAK Designer như trong Hình 3 và định nghĩa đầu ra được thiết lập trên sơ đồ RAM của Hình 4.

Sơ đồ đầy đủ của mạch được thiết kế cho ứng dụng có thể được nhìn thấy trong Hình 5. Các khối và chức năng của chúng được mô tả sau Hình 5.

Như có thể thấy trong Hình 3, Hình 4 và Hình 5, hệ thống được thiết kế để hoạt động theo thứ tự trạng thái tuần tự để tạo ra xung kích hoạt 10 us cho cảm biến khoảng cách siêu âm, sử dụng khối CNT2 / DLY2 làm thành phần một lần kết hợp. với xung nhịp 25 MHz từ OSC1 CLK, để tạo tín hiệu trên đầu ra PIN4 TRIG_OUT. Thành phần one-shot này được kích hoạt bởi khối bộ đếm CNT4 / DLY4 (xung nhịp OSC0 CLK / 12 = 2kHz) sau mỗi 100 ms, kích hoạt cảm biến 10 lần mỗi giây. Tín hiệu tiếng vọng, có độ trễ tỷ lệ với khoảng cách đo được, đến từ đầu vào PIN2 ECHO. Tập hợp các thành phần DFF4 và DFF4, CNT3 / DLY3, LUT9 tạo ra độ trễ để theo dõi qua các trạng thái của ASM. Như có thể thấy trong Hình 3 và Hình 4, hệ thống càng đi qua các trạng thái càng xa thì càng có ít đầu ra được kích hoạt.

Các bước của vùng khoảng cách là 1,48 ms (tín hiệu dội lại), tỷ lệ với khoảng tăng 0,25 cm, như được hiển thị trong Công thức 1. Theo cách đó, chúng ta có 8 vùng khoảng cách, từ 0 đến 2 m trong các bước 25 cm, như được hiển thị trong Bảng 1.

Bước 4: Kết quả

Để kiểm tra thiết kế, cấu hình được sử dụng trên công cụ giả lập do phần mềm cung cấp có thể được xem trong Hình 6. Các kết nối trên các chân của phần mềm giả lập có thể được nhìn thấy sau nó trên Bảng 2.

Các thử nghiệm mô phỏng cho thấy thiết kế hoạt động như mong đợi bằng cách cung cấp một hệ thống giao diện để tương tác với cảm biến siêu âm. Công cụ giả lập do GreenPAK cung cấp đã chứng tỏ mình là một công cụ mô phỏng tuyệt vời để kiểm tra logic thiết kế mà không cần lập trình chip và một môi trường tốt để tích hợp quá trình phát triển.

Các thử nghiệm mạch được thực hiện bằng nguồn 5 V bên ngoài (cũng do tác giả thiết kế và phát triển) để cung cấp điện áp cảm biến danh định. Hình 7 cho thấy nguồn bên ngoài được sử dụng (nguồn bên ngoài 020 V).

Để kiểm tra mạch, đầu ra tiếng vọng từ cảm biến được kết nối trên đầu vào của PIN2 và đầu vào kích hoạt được kết nối trên PIN4. Với kết nối đó, chúng tôi có thể kiểm tra mạch cho từng phạm vi khoảng cách được chỉ định trên Bảng 1 và kết quả như sau trong Hình 8, Hình 9, Hình 10, Hình 11, Hình 12, Hình 13, Hình 14, Hình 15 và Hình 16.

Kết quả chứng minh rằng mạch hoạt động như mong đợi và mô-đun GreenPAK có khả năng hoạt động như giao diện cho cảm biến khoảng cách siêu âm. Từ các thử nghiệm, mạch được thiết kế có thể sử dụng máy trạng thái và các thành phần bên trong để tạo ra xung kích hoạt cần thiết và phân loại độ trễ tiếng vang trở lại thành các loại được chỉ định (với các bước 25 cm). Các phép đo này được thực hiện với hệ thống trực tuyến, đo mỗi 100 ms (10 lần mỗi giây), cho thấy mạch hoạt động tốt cho các ứng dụng đo khoảng cách liên tục, chẳng hạn như thiết bị hỗ trợ đỗ xe ô tô, v.v.

Bước 5: Bổ sung có thể

Để thực hiện các cải tiến hơn nữa trong dự án, nhà thiết kế có thể tăng khoảng cách để bao bọc toàn bộ phạm vi cảm biến siêu âm (chúng tôi hiện có khả năng phân loại một nửa phạm vi từ 0 m đến 2 m và phạm vi hoàn chỉnh là từ 0 m đến 4 m). Một cải tiến khác có thể là chuyển đổi xung dội âm đo được khoảng cách để hiển thị trên màn hình BCD hoặc màn hình LCD.

Phần kết luận

Trong Có thể hướng dẫn này, một cảm biến khoảng cách siêu âm kỹ thuật số đã được triển khai bằng cách sử dụng mô-đun GreenPAK làm đơn vị điều khiển để điều khiển cảm biến và diễn giải đầu ra xung dội âm của nó. GreenPAK triển khai ASM cùng với một số thành phần bên trong khác để điều khiển hệ thống.

Ban phát triển và phần mềm GreenPAK được chứng minh là công cụ tuyệt vời để tạo mẫu và mô phỏng nhanh trong quá trình phát triển. Các tài nguyên nội bộ của GreenPAK, bao gồm ASM, bộ dao động, logic và GPIO dễ dàng định cấu hình để triển khai chức năng mong muốn cho thiết kế này.