Medición de distancia digital DIY con interfaz de sensor ultrasónico: 5 pasos

2024 Autor: John Day | [email protected]. Última modificación: 2024-01-30 08:41

El objetivo de este Instructable es diseñar un sensor de distancia digital con la ayuda de un GreenPAK SLG46537. El sistema está diseñado utilizando el ASM y otros componentes dentro del GreenPAK para interactuar con un sensor ultrasónico.

El sistema está diseñado para controlar un bloque de un disparo, que generará el pulso de disparo con el ancho necesario para el sensor ultrasónico y clasificará la señal de eco de retorno (proporcional a la distancia medida) en 8 categorías de distancia.

La interfaz diseñada se puede utilizar para impulsar un sensor de distancia digital que se utilizará en una amplia variedad de aplicaciones, como sistemas de asistencia de estacionamiento, robótica, sistemas de advertencia, etc.

A continuación, describimos los pasos necesarios para comprender cómo se ha programado la solución para crear la medición de distancia digital con interfaz de sensor ultrasónico. Sin embargo, si solo desea obtener el resultado de la programación, descargue el software GreenPAK para ver el archivo de diseño GreenPAK ya completado. Conecte el kit de desarrollo GreenPAK a su computadora y presione el programa para crear la medición de distancia digital con interfaz de sensor ultrasónico.

Paso 1: Interfaz con sensor ultrasónico digital

El sistema diseñado envía pulsos de disparo al sensor ultrasónico cada 100 ms. Los componentes internos de GreenPAK, junto con el ASM, supervisan la clasificación de la señal de eco de retorno del sensor. El ASM diseñado utiliza 8 estados (estados 0 a 7) para clasificar el eco del sensor ultrasónico utilizando la técnica de transición iterativa a través de los estados mientras el sistema espera la señal con eco. De esta manera, cuanto más avanza el ASM por los estados, menos LED se encienden.

A medida que el sistema sigue midiendo cada 100 ms (10 veces por segundo), es fácil ver el aumento o la disminución de las distancias medidas con el sensor.

Paso 2: Sensor de distancia ultrasónico

El sensor que se utilizará en esta aplicación es el HC-SR04, que se ilustra con la siguiente Figura 1.

El sensor usa una fuente de 5 V en el pin más a la izquierda y la conexión GND en el pin más a la derecha. Tiene una entrada, que es la señal de disparo, y una salida, que es la señal de eco. El GreenPAK genera un pulso de disparo apropiado para el sensor (10 us según la hoja de datos del sensor) y mide la señal de pulso de eco correspondiente (proporcional a la distancia medida) proporcionada por el sensor.

Toda la lógica se establece dentro del GreenPAK usando el ASM, bloques de retardo, contadores, osciladores, flipflops D y componentes de un solo disparo. Los componentes se utilizan para generar el pulso de disparo de entrada requerido para el sensor ultrasónico y clasificar el pulso de eco de retorno proporcional a la distancia medida en zonas de distancia como se detalla en las siguientes secciones.

Las conexiones necesarias para el proyecto se muestran en la Figura 2.

El disparador de entrada solicitado por el sensor es una salida generada por el GreenPAK, y la salida de eco del sensor se usa para medir la distancia por el GreenPAK. Las señales internas del sistema impulsarán un componente de un solo disparo para generar el pulso requerido para activar el sensor y el eco de retorno se clasificará, utilizando flip-flops D, bloques lógicos (LUT e inversor) y un bloque contador, en las 8 zonas de distancia. Los flip-flops D al final mantendrán la clasificación en los LED de salida hasta que se realice la siguiente medida (10 medidas por segundo).

Paso 3: Realización con GreenPAK Designer

Este diseño demostrará la funcionalidad de la máquina de estado del GreenPAK. Dado que hay ocho estados dentro de la máquina de estados propuesta, el GreenPAK SLG46537 es apropiado para la aplicación. La máquina se diseñó con el software GreenPAK Designer como se muestra en la Figura 3, y las definiciones de salida se establecen en el diagrama de RAM de la Figura 4.

El diagrama completo del circuito diseñado para la aplicación se puede ver en la Figura 5. Los bloques y sus funcionalidades se describen después de la Figura 5.

Como se puede ver en la Figura 3, Figura 4 y Figura 5, el sistema está diseñado para funcionar en orden de estado secuencial para generar un pulso de disparo de 10 us para el sensor de distancia ultrasónico, usando el bloque CNT2 / DLY2 como un componente de un solo disparo juntos con el reloj de 25 MHz de OSC1 CLK, para generar la señal en la salida PIN4 TRIG_OUT. Este componente de acción única es activado por el bloque contador CNT4 / DLY4 (OSC0 CLK / 12 = reloj de 2 kHz) cada 100 ms, activando el sensor 10 veces por segundo. La señal de eco, cuya latencia es proporcional a la distancia medida, proviene de la entrada PIN2 ECHO. El conjunto de componentes DFF4 y DFF4, CNT3 / DLY3, LUT9 crean el retraso para seguir los estados del ASM. Como se puede ver en la Figura 3 y la Figura 4, cuanto más atraviesa el sistema a través de los estados, menos salidas se activan.

Los pasos de las zonas de distancia son de 1,48 ms (señal de eco), que es proporcional a incrementos de 0,25 cm, como se muestra en la Fórmula 1. De esa manera tenemos 8 zonas de distancia, de 0 a 2 m en pasos de 25 cm, como se muestra en Tabla 1.

Paso 4: resultados

Para probar el diseño, la configuración utilizada en la herramienta de emulación proporcionada por el software se puede ver en la Figura 6. Las conexiones en los pines del software de emulación se pueden ver después en la Tabla 2.

Las pruebas de emulación muestran que el diseño funciona como se esperaba al proporcionar un sistema de interfaz para interactuar con el sensor ultrasónico. La herramienta de emulación proporcionada por GreenPAK demostró ser una gran herramienta de simulación para probar la lógica del diseño sin programar el chip y un buen entorno para integrar el proceso de desarrollo.

Las pruebas del circuito se realizaron utilizando una fuente externa de 5 V (también diseñada y desarrollada por el autor) para proporcionar la tensión nominal del sensor. La Figura 7 muestra la fuente externa utilizada (fuente externa de 020 V).

Para probar el circuito, la salida de eco del sensor se conectó a la entrada del PIN2 y la entrada del disparador se conectó al PIN4. Con esa conexión, pudimos probar el circuito para cada uno de los rangos de distancia especificados en la Tabla 1 y los resultados fueron los siguientes en la Figura 8, Figura 9, Figura 10, Figura 11, Figura 12, Figura 13, Figura 14, Figura 15 y Figura 16.

Los resultados demuestran que el circuito funciona como se esperaba y que el módulo GreenPAK es capaz de actuar como interfaz para el sensor de distancia ultrasónico. A partir de las pruebas, el circuito diseñado podría usar la máquina de estado y los componentes internos para generar el pulso de disparo requerido y clasificar el retraso del eco de retorno en las categorías especificadas (con pasos de 25 cm). Estas mediciones se realizaron con el sistema en línea, midiendo cada 100 ms (10 veces por segundo), lo que demuestra que el circuito funciona bien para aplicaciones de medición de distancia continua, como dispositivos de asistencia para estacionamiento de automóviles, etc.

Paso 5: posibles adiciones

Para implementar mejoras adicionales en el proyecto, el diseñador podría aumentar la distancia para encapsular todo el rango del sensor ultrasónico (actualmente somos capaces de clasificar la mitad del rango de 0 ma 2 m, y el rango completo es de 0 ma 4 m). Otra posible mejora sería convertir el pulso de eco medido a distancia para que se muestre en pantallas BCD o pantallas LCD.

Conclusión

En este Instructable, se implementó un sensor de distancia ultrasónico digital utilizando el módulo GreenPAK como unidad de control para impulsar el sensor e interpretar su salida de pulso de eco. El GreenPAK implementa un ASM junto con varios otros componentes internos para impulsar el sistema.

El software de desarrollo GreenPAK y la placa de desarrollo demostraron ser excelentes herramientas para la creación rápida de prototipos y la simulación durante el proceso de desarrollo. Los recursos internos de GreenPAK, incluidos el ASM, los osciladores, la lógica y los GPIO, fueron fáciles de configurar para implementar la funcionalidad deseada para este diseño.