Medição de distância digital DIY com interface de sensor ultrassônico: 5 etapas

2025 Autor: John Day | [email protected]. Última modificação: 2025-01-23 15:03

O objetivo deste Instructable é projetar um sensor de distância digital com a ajuda de um GreenPAK SLG46537. O sistema é projetado usando o ASM e outros componentes do GreenPAK para interagir com um sensor ultrassônico.

O sistema é projetado para controlar um bloco de disparo único, que irá gerar o pulso de disparo com a largura necessária para o sensor ultrassônico e classificar o sinal de eco de retorno (proporcional à distância medida) em 8 categorias de distância.

A interface projetada pode ser usada para acionar um sensor de distância digital a ser usado em uma ampla variedade de aplicações, como sistemas de assistência ao estacionamento, robótica, sistemas de alerta, etc.

Abaixo, descrevemos as etapas necessárias para entender como a solução foi programada para criar a medição de distância digital com interface de sensor ultrassônico. No entanto, se você deseja apenas obter o resultado da programação, baixe o software GreenPAK para visualizar o arquivo de design GreenPAK já concluído. Conecte o GreenPAK Development Kit ao seu computador e programa para criar a medição de distância digital com interface de sensor ultrassônico.

Etapa 1: Interface com sensor ultrassônico digital

O sistema projetado envia pulsos de disparo para o sensor ultrassônico a cada 100 ms. Os componentes internos do GreenPAK, junto com o ASM, supervisionam a classificação do sinal de eco de retorno do sensor. O ASM projetado usa 8 estados (estados de 0 a 7) para classificar o eco do sensor ultrassônico usando a técnica de transição iterativa através dos estados enquanto o sistema aguarda o sinal ecoado. Dessa forma, quanto mais o ASM passa pelos estados, menos LEDs acendem.

Como o sistema continua medindo a cada 100 ms (10 vezes por segundo), torna-se fácil perceber o aumento ou diminuição das distâncias medidas com o sensor.

Etapa 2: Sensor de distância ultrassônico

O sensor a ser usado nesta aplicação é o HC-SR04, que é ilustrado com a Figura 1 a seguir.

O sensor usa uma fonte de 5 V no pino mais à esquerda e a conexão GND no pino mais à direita. Ele tem uma entrada, que é o sinal de disparo, e uma saída, que é o sinal de eco. O GreenPAK gera um pulso de disparo apropriado para o sensor (10 us de acordo com a ficha técnica do sensor) e mede o sinal de pulso de eco correspondente (proporcional à distância medida) fornecido pelo sensor.

Toda a lógica é configurada dentro do GreenPAK usando ASM, blocos de retardo, contadores, osciladores, flipflops D e componentes one-shot. Os componentes são usados para gerar o pulso de disparo de entrada necessário para o sensor ultrassônico e classificar o pulso de eco de retorno proporcional à distância medida em zonas de distância, conforme detalhado nas seções a seguir.

As conexões necessárias para o projeto são mostradas na Figura 2.

O acionador de entrada solicitado pelo sensor é uma saída gerada pelo GreenPAK, e a saída de eco do sensor é usada para medir a distância pelo GreenPAK. Os sinais internos do sistema irão conduzir um componente único para gerar o pulso necessário para acionar o sensor e o eco de retorno será classificado, usando flip-flops D, blocos lógicos (LUT e inversor) e um bloco contador, em as 8 zonas de distância. Os flip-flops D no final manterão a classificação nos LEDs de saída até que a próxima medida seja feita (10 medidas por segundo).

Etapa 3: Realização com GreenPAK Designer

Este projeto demonstrará a funcionalidade da máquina de estado do GreenPAK. Como há oito estados na máquina de estados proposta, o GreenPAK SLG46537 é apropriado para a aplicação. A máquina foi projetada no software GreenPAK Designer, conforme mostrado na Figura 3, e as definições de saída são definidas no diagrama de RAM da Figura 4.

O diagrama completo do circuito projetado para a aplicação pode ser visto na Figura 5. Os blocos e suas funcionalidades são descritos a seguir na Figura 5.

Como pode ser visto na Figura 3, Figura 4 e Figura 5, o sistema é projetado para funcionar em ordem de estado sequencial para gerar um pulso de disparo de 10 us para o sensor de distância ultrassônico, usando o bloco CNT2 / DLY2 como um componente único em conjunto com o clock de 25 MHz do OSC1 CLK, para gerar o sinal na saída PIN4 TRIG_OUT. Este componente único é disparado pelo bloco contador CNT4 / DLY4 (OSC0 CLK / 12 = clock de 2kHz) a cada 100 ms, disparando o sensor 10 vezes por segundo. O sinal de eco, cuja latência é proporcional à distância medida, vem da entrada PIN2 ECHO. O conjunto de componentes DFF4 e DFF4, CNT3 / DLY3, LUT9 criam a defasagem para seguir os estados do ASM. Como pode ser visto na Figura 3 e na Figura 4, quanto mais o sistema atravessa os estados, menos saídas são acionadas.

Os passos das zonas de distância são de 1,48 ms (sinal de eco), que é proporcional a incrementos de 0,25 cm, conforme mostrado na Fórmula 1. Dessa forma temos 8 zonas de distância, de 0 a 2 m em passos de 25 cm, conforme mostrado na Tabela 1.

Etapa 4: Resultados

Para testar o design, a configuração utilizada na ferramenta de emulação fornecida pelo software pode ser vista na Figura 6. As conexões nos pinos do software de emulação podem ser vistas a seguir na Tabela 2.

Os testes de emulação mostram que o design funciona conforme o esperado, fornecendo um sistema de interface para interagir com o sensor ultrassônico. A ferramenta de emulação fornecida pelo GreenPAK provou ser uma ótima ferramenta de simulação para testar a lógica do projeto sem programar o chip e um bom ambiente para integrar o processo de desenvolvimento.

Os testes do circuito foram feitos usando uma fonte externa de 5 V (também projetada e desenvolvida pelo autor) para fornecer a tensão nominal do sensor. A Figura 7 mostra a fonte externa usada (fonte externa de 020 V).

Para testar o circuito, a saída de eco do sensor foi conectada na entrada do PIN2 e a entrada do acionador foi conectada no PIN4. Com essa conexão, pudemos testar o circuito para cada uma das faixas de distância especificadas na Tabela 1 e os resultados foram os seguintes na Figura 8, Figura 9, Figura 10, Figura 11, Figura 12, Figura 13, Figura 14, Figura 15 e Figura 16.

Os resultados comprovam que o circuito funciona conforme o esperado e que o módulo GreenPAK é capaz de atuar como interface para o sensor ultrassônico de distância. A partir dos testes, o circuito projetado pode usar a máquina de estado e os componentes internos para gerar o pulso de disparo necessário e classificar o eco lag de retorno nas categorias especificadas (com passos de 25 cm). Essas medições foram feitas com o sistema online, medindo a cada 100 ms (10 vezes por segundo), mostrando que o circuito funciona bem para aplicações de medição contínua de distância, como dispositivos de auxílio ao estacionamento de carros e assim por diante.

Etapa 5: Possíveis adições

Para implementar mais melhorias no projeto, o projetista poderia aumentar a distância para encapsular toda a faixa do sensor ultrassônico (atualmente somos capazes de classificar metade da faixa de 0 ma 2 m, e a faixa completa é de 0 ma 4 m) Outra possível melhoria seria converter o pulso de eco medido pela distância para ser exibido em monitores BCD ou LCD.

Conclusão

Neste Instrutível, um sensor de distância ultrassônico digital foi implementado usando o módulo GreenPAK como uma unidade de controle para acionar o sensor e interpretar sua saída de pulso de eco. O GreenPAK implementa um ASM junto com vários outros componentes internos para conduzir o sistema.

O software de desenvolvimento GreenPAK e a placa de desenvolvimento provaram ser excelentes ferramentas para prototipagem e simulação rápidas durante o processo de desenvolvimento. Os recursos internos do GreenPAK, incluindo o ASM, osciladores, lógica e GPIOs foram fáceis de configurar para implementar a funcionalidade desejada para este design.