Бесконтактные способы измерения расстояний, используя волны в ультразвуковом диапазоне широко применяются в нашей повседневной жизни. Мы сталкиваемся с ними, делая УЗИ в поликлинике, используя эхолот на рыбалке. Парктроник в автомобиле помогает нам избежать столкновения, сдавая задним ходом. И конечно же ультразвуковые датчики широко применяются в робототехнике, помогая нашему роботу лучше «осязать» мир. В живой природе принцип ультразвуковой локации используется, например, летучими мышами и дельфинами. Сегодня я расскажу как же все это работает.
Что такое ультразвук
Человек способен воспринимать звуковые волны, совершающие колебания в диапазоне от 20 до 20000 Гц (напомню, 1 Герц — это число колебаний в секунду). С возрастом диапазон воспринимаемых нами частот снижается, но в среднем, ребенок способен воспринимать звук именно в этом диапазоне. Если же колебания звуковых волн превысят этот диапазон, то человек перестает воспринимать их, но летучие мыши, собаки, дельфины, и мотыльки вполне могут их услышать. Такие колебания являются примерами ультразвука. Ультразвук — это упругие колебания и волны в диапазоне от 20 кГц до 1 ГГц. Термин упругие подчеркивает неэлектромагнитную природу этих колебаний и волн.
Длина волны находится в обратной зависимости от ее частоты, следовательно ультразвуковые волны, по сравнению с обычным звуком имеют меньшую длину волны. Вследствие этого, ультразвуковые волны отражаются от различных препятствий гораздо лучше, чем обычные звуковые волны, что делает их весьма полезными на практике.
Пьезоэффект и магнитострикция
Как же получить колебания в ультразвуковом диапазоне?
Кристаллы некоторых материалов (таких как кварц) способны совершать очень быстрые колебания, при прохождении через них электричества. Это, так называемый, обратный пьезоэффект . Во время вибрации, они толкают и тянут воздух вокруг себя, производя, тем самым, ультразвуковые волны. Устройства, которые производят ультразвуковые волны с помощью пьезоэлектричества известны как пьезоэлектрические преобразователи. Пьезоэлектрические кристаллы также работать в обратном порядке: если ультразвуковые волны, распространяясь по воздуху, сталкиваются с пьезоэлектрическим кристаллом, слегка деформируют его поверхность, в результате чего в кристалле возникает электрическое поле. Итак, если подключить пьезоэлектрический кристалл к измерителю электрического напряжения, мы получим детектор ультразвука.
Ультразвуковые волны могут быть получены с использованием магнетизма вместо электричества. Так же, как пьезоэлектрические кристаллы производят ультразвуковые волны в ответ на электричество, существуют и другие кристаллы, которые излучают ультразвук в ответ на магнетизм. Это эффект магнистрикции . Такие кристаллы называются магнитострикционными кристаллами. Датчики, использующие их, называются магнитострикционными преобразователями.
В англоязычной литературе ультразвуковые датчики называются ultrasound sensor .
Ультразвуковой дальномер
Используя пьезоэлектрические или магнитострикционные преобразователи мы можем создать устройство, измеряющее расстояние до объектов — ультразвуковой дальномер, который работает следующим образом.
В момент измерения мы создаем электрическое колебание при помощи генератора, которое преобразуясь (например, при помощи пьезокристалла) в ультразвуковую волну, излучается в окружающее пространcтво. Эта волна отражается от препятствия и возвращается как эхо в приемник (также можно использовать пьезокристалл). Измеряя время между посылкой и приемом нашего отраженного сигнала и, зная скорость звуковой волны , распространяемой в данной среде (для воздуха это величина около 340 м/с), мы можем вычислить расстояние до препятствия.
- Измерения объектов из звукопоглощающих, изоляционных материалов или имеющих тканевую (шерстяную) поверхность могут привести к неправильным измерениям вследствии поглощения (ослабления) сигнала. Домашний кошара может стать этаким «стелсом» для ультразвукового дальномера.
- Чем меньше объект, тем меньшую отражающую поверхность он имеет. Это приводит к более слабому отраженному сигналу.
Зная ограничения, связанные с физической природой ультразвука можно решить подходит этот тип дальномера для вашей задачи или же нет.
Введение 3
Теоретическая часть 4
Описание схемы 6
Описание программы 13
Заключение 34
Библиографический список 35
Приложения 36
Введение
Курсовой проект предназначен для приобретения практических навыков проектирования несложных микропроцессорных систем различного назначения. Проект базируется на теоретической части дисциплины «Организация ЭВМ и систем». Задание на курсовой проект выдается руководителем проекта.
Курсовой проект выполняется с целью закрепления знаний по курсу «Организация ЭВМ и систем» и развития навыков самостоятельного проектирования микропроцессорных систем различного назначения.
Задачами курсового проекта являются:
практическое овладение методикой проектирования устройств;
синтез функциональной схемы микропроцессорной системы на основе анализа исходных данных;
получение навыков разработки аппаратного и программного обеспечения микропроцессорной системы;
дальнейшее развитие навыков функционально-логического, схемотехнического и конструкторского проектирования, оформления и выпуска конструкторской документации в соответствии с ГОСТ.
Для решения перечисленных задач необходимы знания не только курса «Организация ЭВМ и систем», но и ряда смежных дисциплин, а также умение пользоваться нормативно-справочной информацией.
Одним из основных направлений научно-технического прогресса в настоящее время является развитие и широкое применение изделий микроэлектроники в промышленном производстве, в устройствах и системах управления самыми разнообразными объектами и процессами.
Одним из примеров являются микроконтроллеры, производимые фирмой Microchip Technology. Это семейство 8-разрядных микроконтроллеров отличается низкой ценой, низким энеpгопотpеблением и высокой скоpостью. Микроконтроллеры имеют встpоенное ЭППЗУ пpогpаммы, ОЗУ данных и выпускаются в 18 и 28 выводных коpпусах. Для изделий, пpогpамма котоpых может меняться, либо содеpжит какие-либо пеpеменные части, таблицы, паpаметpы калибpовки, ключи и т.д., выпускается электрически стираемый и пеpепpогpаммиpуемый микроконтpоллеp PIC16F84. Он также содержит электрически пеpепpогpаммиpуемое ПЗУ данных. Именно такой контpоллеp и будем использовать для разработки устройства ультразвукового измерения дальности.
Теоретическая часть
Работа устройства ультразвукового измерения дальности основывается на явлении распространения звуковых волн в воздушной среде и отражения их в процессе распространения от других сред (контролируемых тел).
Информация о расстоянии до контролируемого тела, точнее некоторой отражающей зоны, принадлежащей поверхности контролируемого тела, определяется временным запаздыванием принимаемого сигнала относительно излучаемого. Примерно таким же образом летучие мыши ориентируются в пространстве: они излучают вперед направленный пучок ультразвуковых колебаний и ловят отраженный сигнал. Звуковые волны распространяются в воздушной среде с определенной скоростью, поэтому по задержке прихода отраженного сигнала можно с достаточной степенью точности судить, на каком расстоянии находится тот предмет, который отразил звук.
Ультразвуковой дальномер производит измерение расстояния до контролируемого тела по схеме эхо-локации (см. рис 1).
Рис. 1. Схема эхо-локации.
Для измерения расстояний в воздушной среде используются пьезокерамические преобразователи (типа МУП-3 и МУП-4, произведенные “ЭЛПА” г. Зеленоград), работающие на 40 кГц частоте. Два пьезокерамических преобразователя (излучающий и приемный), подобранные так, чтобы резонансная частота излучения излучающего, совпадала с резонансной частотой приема приемного, образуют акустический блок.
Преимуществами использования таких преобразователей в воздушной среде являются: сравнительная простота излучения и приема колебаний, компактность приемоизлучающих элементов аппаратуры, высокая устойчивость к шумовому, химическому и оптическому загрязнению окружающей среды, возможность работы в агрессивных средах при высоких давлениях, возможность значительного удаления вторичной аппаратуры от места измерений, длительный срок службы, простота в использовании, сравнительно малая стоимость, практически мгновенная готовность к работе после включения, нечувствительность к электромагнитным помехам, высокая надежность, невосприимчивость органов слуха человека к ультразвуку используемой частоты (40КГц) и ряд других.
Примерами применения разрабатываемого ультразвукового дальномера могут служить: контроль дистанции между автотранспортом при его движении в условиях недостаточной видимости на небольших скоростях, измерение уровня заполнения резервуаров жидким веществом, уровня загрузки бункеров или кузовов автомобилей сыпучим или дробленым материалом, контроль размеров продукции, измерение дистанции от борта судна до причальной стенки и др.
Описание принципиальной схемы
Принципиальная электрическая схема проектируемого устройства представлена в приложении. Представленную схему можно разбить на 5 функциональных блоков:
1) блок питания;
2) блок передатчика;
3) блок приемника;
4) блок индикации;
5) блок цифрового управления.
Рассмотрим порядок работы каждого из них.
Рис. 2. Блок питания.
Блок питания представлен на рис. 2. При включении сетевого выключателя S1 на первичную обмотку трансформатора TV1 поступает переменное напряжение величиной в 220В. Со вторичной обмотки трансформатора снимается пониженное до 7,5В переменное напряжение. После прохождения через диодный мост V1-V4 мы получаем выпрямленное, несглаженное напряжение величиной около 7В, т.к. существует некоторое небольшое падение напряжения на диодах. Пульсации полученного выпрямленного напряжения сглаживает электролитический конденсатор С2, а керамический конденсатор С1 предназначен для фильтрации высокочастотных сетевых помех. Затем напряжение стабилизируется при помощи интегрального стабилизатора напряжения DA1 и фильтруются высоко и низкочастотные помехи с помощью конденсаторов С3 и С4 соответственно. Диодный мост V1-V4 собран на кремниевых низкочастотных диодах допускающих напряжение до 100В при токе не более 10А. Интегральный стабилизатор напряжения DA1 (КР142ЕН5В) имеет следующие характеристики: Uвых=5В – выходное напряжение;
Iмакс=1,5А – максимальный ток нагрузки;
Pмакс=10Вт – максимальная мощность;
включение – плюсовое – тип подключения.
Данная схема блока питания является типовой.
Рис. 3. Блок передатчика.
Таблица 1. Характеристики ПКУП МУП-3
|
Значение |
|
|
|
|
|
Ширина полосы излучения по уровню 0,5, кГц |
|
|
Ширина полосы приема по уровню 0,5, кГц |
|
|
По уровню 0,7 макс. |
|
|
По уровню 0,5 макс. |
|
|
Емкость на частоте 1 кГц, пФ |
|
|
Входной импеданс на частоте максимального излучения, кОм |
|
|
Предельное допустимое значение напряжения сигнала на входе, В |
Биполярные транзисторы типа n-p-n КТ972 используемые в схеме имеют следующие параметры:
Uкбои=60В - максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-база;
Uкэои=60В - максимально допустимое импульсное напряжение коллектор-эмиттер;
Iкmaxи=4000мА - максимально допустимый импульсный ток коллектора;
Pкmaxт=8Вт - максимально допустимая постоянная рассеиваемая мощность коллектора с теплоотводом;
H31э≥750 - статический коэффициент передачи тока биполярного транзистора в схеме с общим эмиттером;
Iкбо≤1000мкА - обратный ток коллектора;
Fгр≥200МГц - граничная частота коэффициента передачи тока в схеме с общим эмиттером;
Рис. 4. Блок приемника.
Блок приемника изображен на рис. 4. Блок приемника выполнен по схеме усилителя с общим эмиттером. Максимальный коэффициент усиления для усилителя выполненного по схеме с общим эмиттером рассчитывается из соотношения резисторов R19 и R22. Т.е. 10000/10=1000. Резисторы R16 и R18 служат для стабилизации рабочей точки транзистора. Соотношение их номиналов определяет положение рабочей точки транзистора Т6. Резистор R13 подтягивает выход приемника к земле, когда нет сигнала с усилителя. Резистор R17 служит для установки режима чувствительности ультразвукового датчика Qz3. Конденсаторы С7 и С8 фильтруют постоянную составляющую. В качестве излучателя Qz3 использован пьезокерамический ультразвуковой преобразователь МУП-4, (т.к. он обладают достаточно высокой чувствительностью, по заверениям производителя) основные характеристики которого представлены в таблице 2.
Таблица 2. Характеристики ПКУП МУП-4
|
Наименование параметра, единица измерения |
Значение |
|
Частота максимальной передачи, кГц |
|
|
Звуковое
давление на расстоянии 0,3 м при |
|
|
Чувствительность на частоте максимального приема, мВ/Па |
|
|
Ширина полосы излучения по уровню 0,5, кГц |
|
|
Ширина полосы приема по уровню 0,5, кГц |
|
|
Диаграмма направленности, Град |
|
|
По уровню 0,7 макс.измерение устройство предупреждения аварийных ситуаций при движении по трассеКурсовая работа >> Коммуникации и связь ... ультразвуковых приборов не возможно из-за небольшой дальность действия... крупногабаритным автотранспортом. Регулировка дальности измерений Имеется три уровня чувствительности... аналоговых и цифровых функциональных устройств . Использование технологии BCDIII ... Повышение эффективности защиты от боеприпасов с радиовзрывателями на основе реализации методовРеферат >> Коммуникации и связьНа обнаружение сигнала, – время измерения основных параметров сигнала; – время... -1 основу узла памяти составляют 3 ультразвуковые линии задержки и коммутирующие их электронные... разработку эффективных мер и устройств повышения радиуса дальности работы СП РВ. ... |
Измерение расстояния необходимо производить как в бытовых строительных и ремонтных работах, так и в более сложных геодезических задачах. Если нужна высокая точность и скорость измерений, то стоит вооружиться специальным прибором, который носит название лазерный дальномер.
Для точного и оперативного измерения относительно небольших расстояний используется бытовой лазерный дальномер, характеристики которого отличаются от приборов профессионального назначения. Устройство представляет собой пластиковый корпус, в который встроены излучатель светового сигнала и его приемник. На специальном дисплее моментально выводится информация о размерах нужного объекта или дальности расположения предметов друг от друга.
Более сложные модели снабжены микропроцессором, который способен проводить некоторые расчеты. Лазерный строительный дальномер может посчитать:
- площадь;
- объем;
- угловые величины;
- неизвестную сторону треугольника;
- разделить расстояние на равное количество отрезков или метраж, подчиняющийся определенной пропорции;
- все найденные параметры могут быть записаны на специальную карту памяти.
Как работает лазерный дальномер?
Изначально высокоточные устройства для измерения расстояния были разработаны для военной промышленности. Со временем эти компактные приборы перекочевали в гражданскую сферу. Принцип работы лазерного дальномера основан на сдвиге фазы отраженного лазерного луча. При включении прибора, встроенный излучатель генерирует световой пучок известной длины волны и частоты. Отраженный от измеряемой поверхности луч воспринимается фотоприемником.
Полученные показания фазы отраженного луча сравниваются с изначальными данными в специальном устройстве – микропроцессоре. После несложных вычислительных операций лазерный дальномер выдает показатель измеренного расстояния. Все эти расчеты производятся в кратчайшие сроки за доли секунды. Погрешность бытовых приборов составляет не более 3 мм, тогда как профессиональные девайсы рассчитывают расстояние с точностью до 1 мм.
Какой дальномер лучше – лазерный или ультразвуковой?
При проведении строительных или ремонтных работ бывает важно быстро и точно измерить расстояние в одиночку, без помощи других людей. Пользоваться стандартной рулеткой не всегда удобно, поэтому в специализированных магазинах представлено огромное множество электронных измерительных приборов. Самый популярный из них – цифровой лазерный дальномер, принцип работы которого был рассмотрен выше.
Встречаются и ультразвуковые модели. Работают они также, как и лазерные, только вместо светового луча посылают звуковую волну. Встроенный приемник засекает отраженный звук, рассчитывает прошедшее от точки начала измерения время и выдает искомое значение. Отличия таких устройств следующие:
- Дальность измерений . У ультразвука она редко превышает 30 м, тогда как лазер можно применять до 200 м.
- Точность . У ультразвуковых моделей она может доходить до 0,5-1% от измеряемой длины, что не всегда приемлемо. При неблагоприятных погодных условиях (снег, дождь) погрешность может увеличиваться.
В зависимости от принципа, который положен в работу устройства, световые измерители могут быть двух видов:
- Фазовый телеметр (второе название дальномера), который еще называют бытовым. В его основе лежит принцип изменения световым лучом фазы модуляции.
- Импульсный прибор , который является более дорогим и точным измерителем, применяющимся для проведения больших и сложных расчетов.
Фазовый лазерный дальномер
Самым распространенным и популярным в строительстве, ремонте и охоте, считается фазовый дальномер. Он фиксирует изменения модуляции (параметров колебания) посылаемого и отраженного световых лучей, делая на основе этого сравнения расчеты расстояний. Дальность действия самых мощных устройств такого типа не превышает 1 км, а более простые модели справляются с расстояниями всего в несколько десятков метров.
Для мастеров, которые работают с наклонными поверхностями, такими как крыши домов или лестничные перила, был разработан лазерный дальномер с угломером. Прибор вычисляет угол наклона нужной поверхности. Удобными функциями в девайсе считаются автоматический поворот изображения на дисплее и звуковой сигнал при переходе угла из положений в 0 и 90°.
Импульсный лазерный дальномер
Приборы, которые подают световой поток короткими импульсами, имеют значительно более точные показатели измерения, так как учитывают не изменение фаз лазерного луча, а скорость, с которой он возвращается. Для столь точных вычислений в устройство вмонтирован высокоточный измеритель времени, рассчитывающий даже несколько наносекунд. Такой дальномер применяют для измерения больших расстояний от 1 км. Используется он и в астрономии и космической навигации.
Измерять расстояния требуется в совершенно разных условиях, поэтому выбор конкретной модели лазерной линейки дальномера будет зависеть от ряда параметров:
- Дальность измерения . У самых простых устройств она не превышает 40 м, полупрофессиональные модели могут измерить до 200 м.
- Точность . Недорогая лазерная рулетка имеет погрешность не более 0,3 см, тогда как более продвинутые модели не более 0,1 см.
- Прочность . Из-за того, что устройство может применяться в непогоду и при большом количестве пыли, оно должно быть выполнено из ударопрочного пластика, не бояться воды и пыли.
- Наличие упора . Это может быть выдвижной или откидной штырь или скоба. Аксессуар нужен для измерения расстояния из неудобной точки, например, от угла.
- Возможность проведения дополнительных расчетов и измерение уклонов.
- Наличие пузырькового уровня на корпусе прибора, который помогает правильно располагать устройство по горизонтали и вертикали.
- Крепления для установки на штатив бывают полезны для проведения земляных работ на открытой местности.
- Работа от аккумулятора или батарей . Разряженный аккумулятор нужно ставить на зарядную станцию на определенное время, тогда как батарейки можно легко и быстро заменить.
- Укомплектованность дополнительными аксессуарами , например, портом для подключения к компьютеру, слотом для карты памяти и защитным чехлом.
Лазерный дальномер – функции
Помимо основной функции измерения расстояния, лазерная линейка может иметь дополнительные возможности:
- Измерение площади и объема даже сложных по форме объектов.
- Вычисление сторон по теореме Пифагора и свойствам трапеции.
- Настройку точки отсчета. По умолчанию она считается от излучателя светового луча, но можно учесть и длину самого прибора или выдвижного штифта.
- Непрерывное измерение. В этом режиме работы прибор с определенной периодичностью измеряет расстояние и выводит показатели на дисплей.
- Определение максимальных и минимальных расстояний. Эта опция удобна при вычислении сложных величин.
Чехол для лазерного дальномера
Очень часто строительный дальномер используется в различных погодных условиях, будь то жара, дождь или снег, и на определенной высоте, с которой он может упасть. Все это предусматривают ответственные производители и выпускают устройства с повышенной прочностью и в защитном чехле. Он может быть двух видов:
- съемный , тогда прибор нужно каждый раз вынимать для проведения замеров;
- постоянный , который защищает корпус девайса даже во время измерительных работ.
Рейтинг лазерных дальномеров
Выбирая в магазине нужную модель лазерного дальномера, можно ориентироваться не только на характеристики конкретного прибора, но и отзывы о нем. Самые востребованные модификации это:
Как пользоваться лазерным дальномером?
Каждый строительный лазерный дальномер в своей комплектации имеет подробную инструкцию по эксплуатации. Некоторые нюансы могут изменяться в зависимости от конкретной модели, однако основные этапы работы стандартны для всех устройств:
- Включить прибор с помощью специального переключателя.
- Выбрать нужную функцию из возможных.
- Установить требуемую единицу измерения.
- Непосредственно во время измерения лазерная рулетка дальномер устанавливается точно в точку, от которой нужно начинать отсчет и направляется в точку его окончания.
- Нажать на кнопку измерения, которая в основном располагается по центру девайса.
- Дождаться отображения информации на дисплее.
Поверка лазерного дальномера
Как и любой другой электронный измерительный прибор, лазерный автодальномер в обязательном порядке проходит первичную поверку. Цель этой процедуры – уточнение рабочих характеристик устройства и определение соответствия реальных показателей и данных, заявленных в паспорте прибора. По желанию можно заказывать периодическое тестирование имеющихся телеметров в специальных лабораториях проверки качества электронных устройств. Стоимость услуги варьируется в зависимости от сложности устройства.
Лазерный дальномер со временем вытесняет стандартные измерительные рулетки и метры в сфере строительства и ремонта. Точность таких девайсов сравнительно выше, их удобно использовать в одиночку для больших расстояний и при любых погодных условиях. К тому же, прибор способен самостоятельно производить некоторые расчеты, что очень облегчает труд дизайнеров и архитекторов.
Дальномер — это устройство для измерения расстояния до некоторого предмета. Дальномер помогает роботам в разных ситуациях. Простой колесный робот может использовать этот прибор для обнаружения препятствий. Летающий дрон использует дальномер для баражирования над землей на заданной высоте. С помощью дальномера можно даже построить карту помещения, применив специальный алгоритм SLAM.
1. Принцип действия
На этот раз мы разберем работу одного из самых популярных датчиков — ультразвукового (УЗ) дальномера. Существует много разных модификаций подобных устройств, но все они работают по принципу измерения времени прохождения отраженного звука. То есть датчик отправляет звуковой сигнал в заданном направлении, затем ловит отраженное эхо и вычисляет время полета звука от датчика до препятствия и обратно.
Из школьного курса физики мы знаем, что скорость звука в некоторой среде величина постоянная, но зависящая от плотности среды. Зная скорость звука в воздухе и время полета звука до цели, мы можем рассчитать пройденное звуком расстояние по формуле:
s = v*t
где v — скорость звука в м/с, а t — время в секундах. Скорость звука в воздухе, кстати, равна 340.29 м/с.
Чтобы справиться со своей задачей, дальномер имеет две важные конструктивные особенности. Во-первых, чтобы звук хорошо отражался от препятствий, датчик испускает ультразвук с частотой 40 кГц. Для этого в датчике имеется пьезокерамический излучатель, который способен генерировать звук такой высокой частоты. Во-вторых, излучатель устроен таким образом, что звук распространяется не во все стороны (как это бывает у обычных динамиков), а в узком направлении. На рисунке представлена диаграмма направленности типичного УЗ дальномера.
Как видно на диаграмме, угол обзора самого простого УЗ дальномера составляет примерно 50-60 градусов. Для типичного варианта использования, когда датчик детектирует препятствия перед собой, такой угол обзора вполне пригоден. Ультразвук сможет обнаружить даже ножку стула, тогда как лазерный дальномер, к примеру, может её не заметить.
Если же мы решим сканировать окружающее пространство, вращая дальномер по кругу как радар, УЗ дальномер даст нам очень неточную и шумную картину. Для таких целей лучше использовать как раз лазерный дальномер.
Также следует отметить два серьезных недостатка УЗ дальномера. Первый заключается в том, что поверхности имеющие пористую структуру хорошо поглощают ультразвук, и датчик не может измерить расстояние до них. Например, если мы задумаем измерить расстояние от мультикоптера до поверхности поля с высокой травой, то скорее всего получим очень нечеткие данные. Такие же проблемы нас ждут при измерении дистанции до стены покрытой поролоном.
Второй недостаток связан со скоростью звуковой волны. Эта скорость недостаточно высока, чтобы сделать процесс измерения более частым. Допустим, перед роботом есть препятствие на удалении 4 метра. Чтобы звук слетал туда и обратно, потребуется целых 24 мс. Следует 7 раз отмерить, прежде чем ставить УЗ дальномер на летающих роботов.
2. Ультразвуковой дальномер HC-SR04
В этом уроке мы будем работать с датчиком HC-SR04 и контроллером Ардуино Уно. Этот популярный дальномер умеет измерять расстояние от 1-2 см до 4-6 метров. При этом, точность измерения составляет 0.5 — 1 см. Встречаются разные версии одного и того же HC-SR04. Одни работают лучше, другие хуже. Отличить их можно по рисунку платы на обратной стороне. Версия, которая работает хорошо выглядит так:
А вот версия, которая может давать сбои:
3. Подключение HC-SR04
Датчик HC-SR04 имеет четыре вывода. Кроме земли (Gnd) и питания (Vcc) еще есть Trig и Echo. Оба этих вывода цифровые, так что подключаем из к любым выводам Ардуино Уно:| HC-SR04 | GND | VCC | Trig | Echo |
| Arduino Uno | GND | +5V | 3 | 2 |
Внешний вид макета
4. Программа
Итак, попробуем приказать датчику отправить зондирующий ультразвуковой импульс, а затем зафиксируем его возвращение. Посмотрим как выглядит временная диаграмма работы HC-SR04.
На диаграмме видно, что для начала измерения нам необходимо сгенерировать на выводе Trig
положительный импульс длиной 10 мкс. Вслед за этим, датчик выпустит серию из 8 импульсов и поднимет уровень на выводе Echo
, перейдя при этом в режим ожидания отраженного сигнала. Как только дальномер почувствует, что звук вернулся, он завершит положительный импульс на Echo
.
Получается, что нам нужно сделать всего две вещи: создать импульс на Trig для начала измерения, и замерить длину импульса на Echo, чтобы потом вычислить дистанцию по нехитрой формуле. Делаем.
int echoPin = 2;
int trigPin = 3;
void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
}
void loop() {
int duration, cm;
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
cm = duration / 58;
Serial.print(cm);
Serial.println(" cm");
delay(100);
}
Функция pulseIn
замеряет длину положительного импульса на ноге echoPin в микросекундах. В программе мы записываем время полета звука в переменную duration. Как мы уже выяснили ранее, нам потребуется умножить время на скорость звука:
s = duration * v = duration * 340 м/с
Переводим скорость звука из м/с в см/мкс:
s = duration * 0.034 м/мкс
Для удобства преобразуем десятичную дробь в обыкновенную:
s = duration * 1/29 = duration / 29
А теперь вспомним, что звук прошел два искомых расстояния: до цели и обратно. Поделим всё на 2:
s = duration / 58
Теперь мы знаем откуда взялось число 58 в программе!
Загружаем программу на Ардуино Уно и открываем монитор последовательного порта. Попробуем теперь наводить датчик на разные предметы и смотреть в мониторе рассчитанное расстояние.
Задания
Теперь, когда мы умеем вычислять расстояние с помощью дальномера, сделаем несколько полезных устройств.- Строительный дальномер. Программа каждые 100мс измеряет расстояние с помощью дальномера и выводит результат на символьный ЖК дисплей. Для удобства полученное устройство можно поместить в небольшой корпус и запитать от батареек.
- Ультразвуковая трость. Напишем программу, которая будет «пищать» зуммером с различной частотой, в зависимости от измеренного расстояния. Например, если расстояние до препятствия более трех метров — зуммер издает звук раз в пол секунды. При расстоянии 1 метр — раз в 100мс. Менее 10см — пищит постоянно.