Echolokacija naudojant HC-SR04 ultragarso sensorių bei Atmega

Vienas iš įdomesnių garso taikymo būdų – atstumui nustatyti, t.y. echolokacija. Išsiuntus garso signalą iki objekto ir užregistravus jo grįžtantį aidą galime apskaičiuoti ir atstumą iki to objekto. Elementarus fizikos kursas. Tereikia fiksuoti šiuos laiko momentus, žinoti garso greitį aplinkoje ir atstumą bus galima apskaičiuoti. Tokiais metodais naudojasi ir kai kurie gyvūnai gamtoje, pavyzdžiui, šikšnosparniai ar delfinai pasitelkdami ultragarsą. Kalbant apie elektroniką, įmanoma įsigyti pigius ultragarso modulius, skirtus atstumui iki objektų matuoti. Šįkart kaip tik apie tokius taikymus ir pakalbėsime analizuodami HC-SR04 sensorių.

I. Apie sensorių

Mėgėjiškų ultragarso HC-SR04 sensorių galima rasti ebay.com ir pan. Tai vienas iš populiariausių žaisliukų, galintis pasitarnauti atstumų matavimui, robotikoje ir pan.

Pagal skelbiamus duomenis, sensorius pasižymi dideliu tikslumu, net iki +/-3 mm, bet realybėje nėra skirtas preciziniams matavimams, nes matavimai gana smarkiai svyruoja. Matuoja atstumus iki nuo 2cm iki 5m, yra lengvai valdomas (kaip pamatysime vėliau). Veikimo kampas į šoną – koncentruotas 15 laipsnių priešais modulį. Tik keturi išvadai, du iš jų VCC ir GND, kiti du – Trigger matavimo pradžios impulsui generuoti bei Echo signalo priėmimui. Matavimo funkcijas atlieka nugarinėje modulio dalyje esančios mikroschemos.

Belieka tik pasižiūrėti, kaip komunikuoti su tokiu moduliu per du duomenų išvadus.

II. Komunikavimas

Padavus maitinimą moduliui - niekas nevyksta, todėl visada reikia pirmiausia inicijuoti matavimus. Šiam veiksmui atlikti reikia paduoti ne trumpesnį nei 10us aukšto lygio signalą (5V) į Trigger įšvadą. Žinoma, prieš pradedant Trigger reikšmė turi būti 0V. Po impulso padavimo, šiame išvade įtampos lygį galima vėl pakeisti į 0V. Realizuoti visą šį veiksmą nesudėtinga pasinaudojus _delay_us(10) standartine funkcija. Toliau modulis automatiškai siunčia 8 garso (40kHz) impulsus ir juos, atsispindėjusius nuo kliūties, vėl priima. Tuo metu jau reikia būti pasiruošus nuskaityti įtampos reikšmę iš Echo išvado. Kuomet modulis baigia impulsų priėmimą, Echo išvade įtampa pasikeičia į aukštą lygį. Toliau šis signalas išlaikomas tam tikrą laiko tarpą ir vėl pakeičiamas į žemą (žiūr. paveikslą). Priklausomai nuo atstumo iki kliūties signalo trukmė kinta. Kuo toliau bus kliūtis, tuo ilgiau šis signalas bus išlaikomas aukštame lygyje. Artimoms kliūtims signalo trukmė gali būti mikrosekundžių eilės, didesnėms – milisekundžių ir pan.

Man betestuojant būdavo ir taip, jog signalas visada išlieka aukštame lygyje – kliūtis labai tolima arba dėl triukšmų ultragarsiniai impulsai nebegrįžta arba grįžta pavėlavę ir pan. Todėl reikia visada įvertinti, kokį max laiką skirti matavimui, nuo to priklausys ir matuojamo atstumo ilgis. Šiam atvejui reikia pasiruošti, ir jei signalo lygis išvade nenukrenta iki žemo per tam tikrą max laiką (200ms, 1s ar pan.) – imtis atitinkamų veiksmų (fiksuoti, kad kliūčių nėra, jos labai tolimos ar grąžinti max atstumą) ir baigti matavimą.

Kitas esminis dalykas – tarp matavimų daryti pauzę (~50ms ar pan.). Tai reikalinga tam, kad grįžtantys pavėlavę ultragarso impulsai nesutrukdytų naujam matavimui ar neiškreiptų naujo matavimo duomenų. Taigi, reikia prisiminti – po įvykdyto matavimo iškart kito geriau nedaryti, o palaukti.

Taigi uždavinys manau aiškus – reikia surasti impulso trukmę, o iš jos po to bus galima paskaičiuoti ir atstumą iki objekto. Šiam reikalui gerai pasitarnauja Atmega esantys išorinių pertraukimų įvestys – INT0, INT1. Jomis pasinaudojus automatiškai galima nustatyti, kada įtampa Atmega išvade pasikeičia (iš žemo į aukštą, iš aukšto į žemą arba fiksuoti abu įvykius). Pasikeitus įtampai INTx išvade gaunamas INTx_vect  pertraukimas programoje ir galima atlikti reikiamus veiksmus.

Taigi, viską apibendrinus, po matavimo paleidimo, reikės laukti įtampos pasikeitimo į aukštą lygį, tuomet įjungti Atmegoje esantį TIMER laikmatį ir laukti įtampos pasikeitimo į žemą. Jei signalas Echo išvade visgi pasikeis į 0V, tada galėsime bevargo apskaičiuoti atstumą ir matavimas bus baigtas. Kitu atveju – jei matavimui skirtas laikas bus viršytas, t.y. timeout (nesumaišyti su overflow), tai matavimą teks baigti ir sakyti, kad kliūtis labai tolima ir nepatenka į matavimo diapazoną ar pan. Na ir po kiekvieno užbaigto matavimo palauksime tam tikrą laiko tarpą, kad aplinka išsivalytų nuo pašalinių ultragarsinių impulsų pėdsakų.

III. Realizacija

Be abejo, viską, apie ką kalbėjau, prieš tai reikia sukonfigūruoti ir įjungti mikrokontroleryje. Tai daroma redaguojant registrų reikšmes. Savo bandymuose modulį prijungiau taip: PB0 – Trigger, INT1 – Echo, kaip pavaizduota paveiksle. Pradžioje nustatome žemą 0V signalą PB0 išvestyje (matavimas nevyksta).

Toliau reikia nustatyti pertraukimų režimą priklausomai nuo įtampos pasikeitimų INT išvade. Šiam projektui būtų galima naudoti abu INT0 ir INT1 išvadus. Vienam nustatyti pertraukimus, kai išvade pasiekiamas aukštas lygis, kitam, kai įtampa nukrenta į žemą lygį 0V. Siekiant sutaupyti, pasinaudojau tik vienu – INT1, o kitą palikau laisvą(bus galima prijungti dar vieną modulį). Taigi INT1 nustačiau, jog pertraukimai būtų iškviečiami ant bet kokio įtampos lygio pasikeitimo, o koks lygis yra esamu momentu, bus sekama pačioje programoje vienu kintamuoju.

GICR registre nustatome, kokius naudosime INTx išvadus. Mano atveju INT1 pasirinktas. MCUCR register nustatome, kokiam pasikeitimui esant yra iškviečiamas pertraukimas.

Toliau reikia sukonfigūruoti laikmatį, kuris padės garantuoti, jog matavimas neužsitęs be galo ilgai ir skaičiuos impulso laiką. Pasirinkau 8 bitų laikmatį, tačiau galima naudoti ir 16 bitų. Skirtumas būtų tik toks, jog su didesnės rezoliucijos persipildymų skaičius būtų mažesnis. Laikmačio daliklis nustatomas į 1 pakeičiant TCCR0 registrą, t.y. laikmačio dažnis nebus dalinamas ir sutaps su mikrokontrolerio veikimo dažniu. Taip pat laikmačio reikšmė TCNT0 išvaloma į 0 ir įjungiamas laikmačio persipildymo pertraukimas nustatant TIMSK pertraukimų bitą. Prie visų nustatymų nereikia pamiršti įjungti pertraukimų vykdymą komanda sei().

Na štai, manau užteks šių įžanginių nustatymų. Toliau pasižiūrėsime, kaip vykdyti sensoriaus paleidimą bei matavimus pertraukimų kode. Kaip ir minėjau anksčiau, sensoriaus paleidimas yra gana paprastas – 10us impulsas į Trigger išvadą. Nepamirštant vėl nustatyti išvado lygio į žemą 0V. Papildomai galime sekti, jog matavimas paleistas nustatant kintamąjį.

Dabar peržiūrėsime pertraukimų kodą. INT1 pertraukime pirmiausia registruojame aukštą Echo išvado lygį. Išvalome laikmatį ir nustatome, jog pradedame Echo impulso laiko matavimą. Sekantį kartą, kai šis petraukimas yra iškviečiamas, sustabdome matavimus, apskaičiuojame atstumą iki kliūties pagal laikmatyje sukauptą laiką, atstumą iki kliūties išsaugome "result" kintamajame.

Kitas pertraukimas yra vykdomas, kai laikmatis perpildomas, t.y. kai TCNT0 baito reikšmė iš 255 pereidama į 256 tampa 0. Šiame pertraukimo kode skaičiuojame persipildymų skaičių, kai ultragarso sonaras vykdo matavimus.  Skaičiuoti persipildymų skaičių reikia tam, kad paskui galėtume tiksliai atstatyti, kiek laiko praėjo, nes laikmačio reikšmė po persipildymo tampa 0. Taip pat čia paskaičiuojame tiksliai, kiek laiko praėjo ir tikriname, ar matavimas neužtruko pernelyg ilgai (timeout), nes vis dėlto nesiruošiame laukti amžinybę rezultato nuo labai tolimų kliūčių. Šiuo atveju matavimo atstumas nustatomas į -1, tai nusako, jog kliūčių nėra.

Na ir galiausiai pakalbėsime apie matavimų paleidimą bei laukimą po kiekvieno matavimo. Taigi visa tai realizuoti galima pagrindinėje programos dalyje. Nutariau tai padaryti su delay funkcija, kol praeina reikiamas 50 ms laiko tarpas. Žinoma, galima realizuoti ir kitaip - panaudojant tą patį laikmatį arba tą patį uždelsimą vykdyti po 1ms per 50 iteracijų - taip nebūtų ilgam laikui blokuojamas kitas kodo vykdymas cikle. Kam gi be reikalo švaistyti mikroprocesoriaus ciklus nenaudingam miegojimui? Paprastumo dėlei pavyzdyje žemiau tiesiog panaudojama uždelsimo funkcija.

Visą projekto kodą rasite straipsnio pabaigoje.

IV. Atstumo apskaičiavimas ir rezultatai

Žinodami Echo impulso trukmę galime apskaičiuoti atstumą iki kliūties. Tai daroma pagal žemiau pateiktą formulę:

Laikas t formulėje bus mikrosekundėmis, garso greitis v ore ~340m/s. Kadangi matavimo vienetai nesutampa, tai tenka atlikti porą pakeitimų, po kurių bendrą formulę gauname tokią (atstumas iki kliūties milimetrais):

Rezultatas kode saugomas skaitine reikšme kintamajame "result". Kaip naudosite ar išvesite šitą informaciją - LCD ekrane, siųsite į kompiuterį ar pan. palieku spręsti pačiam skaitytojui. Aš savo testų informaciją persiunčiau į kompiuterį per USB, kad lengviau būtų analizuoti duomenis, tačiau sensoriaus veikimui tai visiškai nėra būtina. Projekto kode ši dalis praleista ir paliekama realizuoti savarankiškai pagal poreikius.

V. Veikimas

Na ir realizuoto projekto demonstraciją galite pamatyti žemiau video. Su šiuo sensoriumi taip pat galima ir vykdyti atvirkščius matavimus – nustatinėti garso greitį, kai atstumas tarp modulio ir kliūties yra tiksliai žinomas ir pan. O jeigu primontuojame jį prie servo motoro, sukti 360 laipsnių kampu ir padaryti 5 m spindulio radarą ir pan. Na fantazijai ribų nėra, taigi jeigu dabar išmokote naudotis šiuo moduliu ir gaminate kažką įdomaus – pasidalinkite savo atradimais ir su manimi. Sėkmės.

Download project - source

Extra information