قياس المسافة الرقمية DIY مع واجهة المستشعر بالموجات فوق الصوتية: 5 خطوات

2024 مؤلف: John Day | [email protected]. آخر تعديل: 2024-01-30 07:37

الهدف من Instructable هذا هو تصميم مستشعر مسافة رقمي بمساعدة GreenPAK SLG46537. تم تصميم النظام باستخدام ASM ومكونات أخرى داخل GreenPAK للتفاعل مع جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية.

تم تصميم النظام للتحكم في كتلة ذات طلقة واحدة ، والتي ستولد نبضة الزناد بالعرض اللازم لجهاز استشعار الموجات فوق الصوتية وتصنيف إشارة الصدى العائدة (بما يتناسب مع المسافة المقاسة) إلى 8 فئات للمسافات.

يمكن استخدام الواجهة المصممة لقيادة مستشعر مسافة رقمي لاستخدامه في مجموعة متنوعة من التطبيقات ، مثل أنظمة مساعدة وقوف السيارات ، والروبوتات ، وأنظمة التحذير ، وما إلى ذلك.

فيما يلي وصفنا الخطوات اللازمة لفهم كيفية برمجة الحل لإنشاء قياس المسافة الرقمي باستخدام واجهة مستشعر الموجات فوق الصوتية. ومع ذلك ، إذا كنت ترغب فقط في الحصول على نتيجة البرمجة ، فقم بتنزيل برنامج GreenPAK لعرض ملف تصميم GreenPAK المكتمل بالفعل. قم بتوصيل GreenPAK Development Kit بجهاز الكمبيوتر الخاص بك واضغط على البرنامج لإنشاء قياس المسافة الرقمي باستخدام واجهة مستشعر بالموجات فوق الصوتية.

الخطوة 1: واجهة مع جهاز استشعار بالموجات فوق الصوتية الرقمية

النظام المصمم يرسل نبضات الزناد إلى المستشعر فوق الصوتي كل 100 مللي ثانية. تشرف المكونات الداخلية GreenPAK ، جنبًا إلى جنب مع ASM ، على تصنيف إشارة الصدى العائدة من المستشعر. يستخدم ASM المصمم 8 حالات (الحالات من 0 إلى 7) لتصنيف الصدى من المستشعر بالموجات فوق الصوتية باستخدام تقنية الانتقال المتكرر عبر الحالات حيث ينتظر النظام إشارة الصدى. وبهذه الطريقة ، كلما تقدم ASM عبر الحالات ، قل عدد مصابيح LED التي تضيء.

مع استمرار النظام في القياس كل 100 مللي ثانية (10 مرات في الثانية) ، يصبح من السهل رؤية الزيادة أو النقصان في المسافات المقاسة باستخدام المستشعر.

الخطوة 2: مستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية

المستشعر الذي سيتم استخدامه في هذا التطبيق هو HC-SR04 ، وهو موضح بالشكل التالي.

يستخدم المستشعر مصدر 5 فولت على الطرف الأيسر ووصلة GND على الطرف الأيمن. له مدخل واحد ، وهو إشارة الزناد ، ومخرج واحد ، وهو إشارة الصدى. يولد جهاز GreenPAK نبضة زناد مناسبة للمستشعر (10 لنا وفقًا لورقة بيانات المستشعر) ويقيس إشارة نبض الصدى المقابلة (بما يتناسب مع المسافة المقاسة) التي يوفرها المستشعر.

يتم تعيين كل المنطق داخل GreenPAK باستخدام ASM وكتل التأخير والعدادات والمذبذبات و D flipflops ومكونات اللقطة الواحدة. تُستخدم المكونات لتوليد نبضة الزناد المطلوبة لجهاز استشعار الموجات فوق الصوتية وتصنيف نبضات الصدى العائدة بما يتناسب مع المسافة المقاسة في مناطق المسافة كما هو مفصل في الأقسام التالية.

الوصلات اللازمة للمشروع موضحة في الشكل 2.

مشغل الإدخال الذي يطلبه المستشعر هو ناتج تم إنشاؤه بواسطة GreenPAK ، ويتم استخدام خرج الصدى الخاص بالمستشعر لقياس المسافة بواسطة GreenPAK. ستقود الإشارات الداخلية للنظام مكونًا طلقة واحدة لتوليد النبض المطلوب لتشغيل المستشعر وسيتم تصنيف الصدى العائد ، باستخدام D flip-flops ، وكتل المنطق (LUT والعاكس) ، وكتلة مضادة ، إلى 8 مناطق مسافة. ستحتفظ D flip-flops في النهاية بالتصنيف على مصابيح LED للإخراج حتى يتم إجراء القياس التالي (10 مقاييس في الثانية).

الخطوة 3: تحقيق مع مصمم GreenPAK

سيوضح هذا التصميم وظائف آلة الحالة الخاصة بـ GreenPAK. نظرًا لوجود ثماني حالات داخل آلة الحالة المقترحة ، فإن GreenPAK SLG46537 مناسب للتطبيق. تم تصميم الجهاز على برنامج GreenPAK Designer كما هو موضح في الشكل 3 ، وتم تعيين تعريفات المخرجات في مخطط RAM بالشكل 4.

يمكن رؤية الرسم التخطيطي الكامل للدائرة المصممة للتطبيق في الشكل 5. يتم وصف الكتل ووظائفها بعد الشكل 5.

كما يمكن رؤيته في الشكل 3 والشكل 4 والشكل 5 ، تم تصميم النظام للعمل بترتيب متسلسل لتوليد 10 نبضة زناد لمستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية ، باستخدام كتلة CNT2 / DLY2 كمكوِّن طلقة واحدة معًا مع ساعة 25 ميجا هرتز من OSC1 CLK ، لتوليد إشارة على خرج PIN4 TRIG_OUT. يتم تشغيل هذا المكون أحادي الطلقة بواسطة كتلة عداد CNT4 / DLY4 (OSC0 CLK / 12 = ساعة 2 كيلو هرتز) كل 100 مللي ثانية ، مما يؤدي إلى تشغيل المستشعر 10 مرات في الثانية. تأتي إشارة الصدى ، التي يتناسب زمن انتقالها مع المسافة المقاسة ، من إدخال PIN2 ECHO. تخلق مجموعة المكونات DFF4 و DFF4 و CNT3 / DLY3 و LUT9 تأخرًا لمتابعة حالات ASM. كما يتضح من الشكل 3 والشكل 4 ، كلما زاد اجتياز النظام للحالات ، قل عدد المخرجات التي يتم تشغيلها.

تبلغ خطوات مناطق المسافة 1.48 مللي ثانية (إشارة صدى) ، والتي تتناسب مع زيادات 0.25 سم ، كما هو موضح في الصيغة 1. بهذه الطريقة لدينا 8 مناطق مسافة ، من 0 إلى 2 متر في خطوات 25 سم ، كما هو موضح في الجدول 1.

الخطوة 4: النتائج

لاختبار التصميم ، يمكن رؤية التكوين المستخدم في أداة المحاكاة التي يوفرها البرنامج في الشكل 6. ويمكن رؤية التوصيلات الموجودة على أطراف برنامج المحاكاة بعد ذلك في الجدول 2.

تظهر اختبارات المحاكاة أن التصميم يعمل كما هو متوقع من خلال توفير نظام واجهة للتفاعل مع جهاز الاستشعار فوق الصوتي. أثبتت أداة المحاكاة المقدمة من GreenPAK أنها أداة محاكاة رائعة لاختبار منطق التصميم دون برمجة الشريحة وبيئة جيدة لدمج عملية التطوير.

تم إجراء اختبارات الدائرة باستخدام مصدر خارجي 5 فولت (تم تصميمه وتطويره أيضًا بواسطة المؤلف) من أجل توفير جهد المستشعر الاسمي. يوضح الشكل 7 المصدر الخارجي المستخدم (مصدر خارجي 020 فولت).

لاختبار الدائرة ، تم توصيل خرج الصدى من المستشعر بإدخال PIN2 وتم توصيل إدخال المشغل على PIN4. من خلال هذا الاتصال ، يمكننا اختبار الدائرة لكل نطاق من نطاقات المسافة المحددة في الجدول 1 وكانت النتائج كما يلي في الشكل 8 ، الشكل 9 ، الشكل 10 ، الشكل 11 ، الشكل 12 ، الشكل 13 ، الشكل 14 ، الشكل 15 والشكل 16.

تثبت النتائج أن الدائرة تعمل كما هو متوقع ، وأن وحدة GreenPAK قادرة على العمل كواجهة لمستشعر المسافة بالموجات فوق الصوتية. من الاختبارات ، يمكن أن تستخدم الدائرة المصممة آلة الحالة والمكونات الداخلية لتوليد نبضة الزناد المطلوبة وتصنيف تأخر الصدى العائد إلى الفئات المحددة (بخطوات 25 سم). تم إجراء هذه القياسات مع النظام عبر الإنترنت ، وقياس كل 100 مللي ثانية (10 مرات في الثانية) ، مما يدل على أن الدائرة تعمل بشكل جيد لتطبيقات قياس المسافة المستمرة ، مثل أجهزة مساعدة وقوف السيارات وما إلى ذلك.

الخطوة 5: الإضافات الممكنة

لتنفيذ مزيد من التحسينات على المشروع ، يمكن للمصمم زيادة المسافة لتغليف نطاق مستشعر الموجات فوق الصوتية بالكامل (نحن قادرون حاليًا على تصنيف نصف النطاق من 0 م إلى 2 م ، والنطاق الكامل من 0 م إلى 4 م). هناك تحسين آخر محتمل يتمثل في تحويل نبضات الصدى المقاسة للمسافة ليتم عرضها في شاشات BCD أو شاشات LCD.

استنتاج

في Instructable ، تم تنفيذ مستشعر رقمي للمسافة بالموجات فوق الصوتية باستخدام وحدة GreenPAK كوحدة تحكم لقيادة المستشعر وتفسير خرج نبضات الصدى. يقوم GreenPAK بتنفيذ ASM جنبًا إلى جنب مع العديد من المكونات الداخلية الأخرى لقيادة النظام.

برمجيات GreenPAK ولوحة التطوير أثبتت أنها أدوات ممتازة للنماذج الأولية السريعة والمحاكاة أثناء عملية التطوير. كان من السهل تكوين الموارد الداخلية لـ GreenPAK ، بما في ذلك ASM ، والمذبذبات ، والمنطق ، و GPIOs لتنفيذ الوظائف المطلوبة لهذا التصميم.