CC BY
18
Научни трудове на Съюза на учените в България - Пловдив Серия В. Техника и технологии, том XIII., Съюз на учените, сесия 5 - 6 ноември 2015 Scientific Works of the Union of Scientists in Bulgaria-Plovdiv, series C. Technics and Technologies, Vol. XIII., Union of Scientists, ISSN 1311-9419, Session 5 - 6 November 2015.
МИКРОПРОЦЕСОРНО УСТРОЙСТВО ЗА ИЗМЕРВАНЕ НА РАЗСТОЯНИЕ С ЦИФРОВ СЕНЗОР HC-SR04 Недялко Катранджиев, Николай Карнобатев (студент) УХТ-Пловдив, Компютърни системи и технологии
MICROPROCESSOR UNIT FOR DISTANCE MEASUREMENT WITH DIGITAL SENSOR HC-SR04 Nedyalko Katrandzhiev, Nikolay Karno batev (student) UFT-Plovdiv, Computer Systems and Technologies
Abstract
The process of creating a microprocessor device for measuring distance using a digital ultrasonic sensor HC-SR04 was discussed in the current publication. For the implementation of the device the Arduino platform was used. It contained two ATmega 328 microcontrollers as main microcontrollers that performed the desired action and an ATmega 16U2 microcontroller to communicate with a PC. The device is capable of measuring a distance from 2 cm to 400 cm with a precision of 0.3 cm. It can be used both alone and as a part of a multisensory system.
Keywords: ultrasonic, microprocessor unit, distance, level regulation, hc-sr04, arduino
Въведение
Звукът се състои от осцилиращи вълни с определена амплитуда, честота и фаза. Човекът има способността да чува само частта от звуковия спектър, при която звукът е с честота от 20 Hz до 20 kHz. При по-ниска от 20 Hz честота звукът се нарича инфразвук, а този с честота над 20 kHz - ултразвук.Една от причините за широкото приложение на ултразвука е това, че не се чува от човека и не смущава неговата дейност.
Ултразвуковият сензор намира приложение при измерване на разстояние, отчитане наличността на обекти,безконтактно измерване на ниво, оценка на различни видове материали, храни и течности. С него може да се конструира радар, да се използва в алармени системи за автоматично насочване на камера към евентуален нарушител на реда, за измерване скоростта на звука в различни среди и в зависимост от нея да се определи тяхната плътност. Параметър, влияещ на скоростта на звука във въздуха е температурата, което означава, че за по-точно измерване може да се постави и сензор за температура. Често ултразвуковите сензори се прилагат като основен елемент в мултисензорни системи. В текущата публикация е разгледан процеса на създаване на микропроцесорно устройство за измерване на разстояние с използване на цифров ултразвуков сензор HC-SR04.
Материали и методи
Микроконтролер. За реализиране на устройството е използвана платформата Ардуино, съдържаща два микроконтролера ATmega328 като главен микроконтролер, изпълняващ желаните действия и ATmega16U2 за осъществяване на комуникация с персонален компютър [1, 2].
Сензор. ИС-8Я04 измерва разстояние от 2 до 400 см с точност 0.3 см[4]. Сензорът е съставен от два модула - един за излъчване на ултразвукови вълни и друг за приемане на отразените вълни от обект, намиращ се пред тях. За започване на измерването се подава правоъгълен импулс на тригервхода (Тщ) на ИС-8Я04 с високо ниво (5У, ТТЬ) с продължителност 10цэ.Като резултат сензорътще излъчи осем ултразвуковиправоъгълни вълни с честота
40кЫг, след което ще изчака приемникът да получи отразения сигнал. В последната фаза на процеса ще се установи ехоизхода (ЕсИо) във високо ниво (5У).Чрез времето между подаване на сигнал на тригервхода и получаване на сигнал от ехоизходаи скоростта на звука в средата, в която се разпространява,ще може да се определи разстоянието до обекта. За целта се използва аналитична зависимост 1.
Distan.ce = -р [сш]
(1)
t - време от подаване на ултразвуков сигнал до получаване на ехо (отразен) сигнал; V - скорост на звука = 340 ш/э = 0.034 сш/цэ.
Времедиаграма на процеса на измерване на разстояние и ъглова диаграма на сканиране на цифров сензор ЫС-БЯ04 са показани на фигура 1.
Тригер сигнал. Тпд Уппгрээсук» еш-као Ёке еигн(л, -
TTL
_п
10.15
п
Фиг. 1. Времедиаграмана процеса на измерване и ъглова диаграма на сканиране
ИС-8Я04 не се влияе от слънчевата светлина. Сензорът отчита най-добре обекти с площ 0.5 ш2. Допълнителни данни за сензора са показани в таблица 1.
Табл. 1. Основни параметри на сензора HC-SR04
Параметър Стойност
Захранващо напрежение 4.5 - 5.5 У/БС
Ток на покой 1.5 - 2.5 тА
Ток в работен режим 10 - 20 тА
Ъгъл на най-голяма чувствителност <15°
Диапазон на измерване 2 - 400 см
Мин. единица за отчитане 0.3 ст
Ъгъл на измерване 30°
Широчина на превключващия импулс 10цз
Честота 40 кИг
+5V
Д
23 AP0
PC0 (ADC0/PCINT8) ^ij Api PCI (ADC1/PCINT9) <H24 Api PC2 (ADC2/PCINT10) <2: AP^ PC3 (ADC3/PCINTII) -ощ AP4
PC4 (ADC4/SDA/PCINT12) AP5 PC5 (ADC5/SCL/PCINT13) dy AP5
R1 10K
PC6 (PCINT14/RESET) di-
C1
100nF
PD1 (PCINT17/TXD) <»
PD2 (PCINT18/INT0) <4 DP3
PD3 (PCINT19/OC2B/INT1) di DPj
PD4 (PCINT20/XCK/T0) <зй- DP5
PD5 (PCINT21/0C0B/T1^ DP6
Й DP7
PD6 (PCINT22/0C0A/AIN0)
PD7 (PCINT23/AIN1) -otf^
жй DP8 J5 DP9
PB0 (PCINT0/CLK0/ICP1) PB1_(0C1A/PCINT1)
PB2 (SS/0C1B/PCINT2^
GND GND
PB3 (M0SI/0C2A/PCINT3) <Й8 ^ PB4 (MIS0/PCINT4^ <I|^DP737 PB5 (SCK/PCINT5) DP13 PB6 (PCINT6/XTAL1/T0SC1) -ой— PB7 (PCINT7/XTAL2/T0SC2) <JB0-
Резултати и обсъждане
Свързване на сензора към микроконтролера и компютъра (хардуерна реализация).
+5V На фигура2 е
U1 показано свързването
23 AP0
vcc PC0 (adc0/pcint8) AP1 на сензора към
микроконтролера. Комуникацията със сензора се
осъществява по два проводника (за Trigи Echo от U2, фиг. 2), а за захранване се използват други два проводника (VCC и GND, съответно +5V и земя).
СензорътHC-SR04се свързва към
ATmega328P-PU , ^ цифровите
R2 „, 22p изводиDP11и DP12
на микроконтролера nd ATmega328 и към
22р захранването.
Комуникацията с пер-
+5V
R3
1M
VCC Tiig Echo GND
HC-SR04 C2
соналния компютър е аналогична на тази, представена в публикацията със заглавие „Измерване на цвят с TCS34725" [1].
Фиг. 2. Схема на свързване на сензора за ултразвук HC-SR04 с микроконтролера
Програмиране на сензора (софтуерна реализация). На фигура 3 е показан алгоритъмът, по който е програмиран сензора. За реализирането му е използ-ван езикаС[3]. Първо се отваря порт за серийна комуникация, задава се в какви единици искаме да се визуализира измереното разстояние (сантиметри или инчове). Резултата се визуализира на екран на компютър (в случая лаптопфигура 4 - тестване на устройството). При необходимост към
алгоритъма могат да се добавят алармени състояния и сигнализации или методи за задействанена системи за предотвратяване на сблъсък.
Фиг. 4. Тестване на създаденото микропроцесорно устройство
Заключение
Създадено е микропроцесорно устройство за измерване и регистриране на разстояние. Устройството има възможност да измерва разстояния от 2 см до 400 см. То може да се използва самостоятелно (като показва резултата на собствен дисплей), да изпраща данни към персонален компютър или да е част от мултисензорна система. Към него могат да се добавят допълнителни сензори за измерване на други физични величини. Създаденото устройство може да намери приложение при измерване, регистриране, следене и регулиране на ниво в съдове, разстояния между обекти, при анализ на различни видове материали, течности и храни. Устройството може да се използва за алармиране при достигане на конкретни стойности.
Литература
[1]. Катранджиев, Н., Н. Карнобатев, А. Кансъзов, 2015. Измерване на цвят с TCS34725, 70 години СУБ, Научни трудове на СУБ-Пловдив, Техника и технологии. Том XII, стр. 196-200.
[2]. Катранджиев, Н.и Н. Карнобатев, 2015. Микропроцесорно устройство за измерване на температура по еднопроводна линия, У1-та международна научна конференция на младите учени - Пловдив, 11-13 юни, 2015 г. Научни трудове на СУБ-Пловдив, Техника и технологии.
[3]. Катранджиев, Н. и Н. Шопов, 2011. Програмиране на С/С++ в примери, ISBN 978954-24-0179-7, Академично издателство на УХТ.
[4]. Еlecfreaks, 2012. Ultrasonic Ranging Module HC - SR04.
доц. Недялко Катранджиев, УХТ-Пловдив, Компютърни системи и технологии, www.sundybg.com
Николай Карнобатев, студентУХТ-Пловдив, Компютърни системи и технологии, www.nkarnobatev.com
