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Sensor de distância por ultra-sons

Conhecimento necessário: [HW] Módulo de Interface do Utilizador, [AVR] Contadores/Temporizadores, [LIB] Temporizadores,
[LIB] LCD Gráfico, [LIB] Sensores

Teoria

Sensor de distância ultrasónico SRF05

Um sensor de distância por ultra-sons determina a distância a um objecto através da medição do tempo necessário ao som ser reflectido de volta a partir do objecto. A frequência do som está algures no intervalo dos ultra-sons, isto assegura um direcção mais concentrada da onda sonora porque um som com alta frequência dissipa-se menos no ambiente. Um sensor de distância ultra-sónico típico consiste em duas membranas. Uma membrana produz um som, outra captura o seu eco. Basicamente, são uma coluna e um microfone. O gerador de som gera pequenos (o comprimento é um par de períodos) impulsos de ultra-sons e dispara o cronómetro. A segunda membrana regista a chegada do impulso de som e pára o cronómetro. A partir do tempo medido é possível calcular a distância percorrida pelo som. A distância até ao objeto é metade da distância percorrida pela onda sonora.

Princípio de funcionamento de um sensor de distância por ultra-sons.

Os sensores ultra-sónicos têm variados usos na vida quotidiana. São usados ​​para substituir fitas métricas em dispositivos de medição para locais de construção. Os carros são equipados com sensores de estacionamento ultra-sônicos. Além de medir distâncias, podem apenas registar a presença de objetos num determinado alcance ou faixa, por exemplo, em zonas de perigo à volta de máquinas em laboração. Se o transmissor e o receptor de ultra-sons estão separados, a velocidade de fluxo da substância entre elas pode ser medida, pois a onda de som propaga-se mais lentamente a montante e vice-versa.

Prática

O HomeLab está equipado com o sensor de distância ultra-sônico Devantech SRF04/SRF05. O SRF04/SRF05 é apenas sensor e não dá informação directa sobre a distância. Além dos pins de alimentação, o sensor tem também um pino de disparo e um pino de eco. Uma diferença importante entre o SRF05 e o SRF04 é que é possível, no caso de SRF05, usar um único conector físico de pins para o disparador e o sinal de eco. Isto permite ao sensor usar o conector de três fios standard (alimentação, terra e sinal). Quando o pin de disparo está definido como high, o sensor gera ondas ultra-sónicas de 40 kHz com 8 períodos de duração. No momento do disparo, o pino de eco vai a high e assim continua até que o som refletido atinge o sensor de volta. Assim, o sinal de eco reflete, basicamente, o tempo durante o qual o som chega ao objeto e volta a partir do mesmo. Ao medir esse tempo, multiplicando-o depois pela velocidade do som e, por fim, dividindo o resultado por dois, é calculada a distância ao objecto.

Para usar o SRF04/SRF05 com o AVR, os pins de disparo e eco devem ser ligados a alguns dos pins AVR. Para medir o tempo, é adequado usar um temporizador de 16 bits, por exemplo o timer3. De seguida é apresentada uma função que é baseada no controlador Atmega2561 que executa todos os processos de medição - gera o sinal do disparador, começa o temporizador, mede o comprimento do sinal de eco e converte-o na distância em centímetros. A função bloqueia o processador, significando que o mesmo é ocupado pela função até que o resultado da medição seja recebido mesmo que a medição demore muito tempo. Quanto mais rápido o eco chegar mais rápido o resultado é retornado. Se o eco não chegar, a função espera por ele durante 36 ms e retorna 0. É importante deixar aproximadamente 20 ms de intervalo entre cada medição, para o som gerado durante a medição anterior se desvanecer e a nova medição não ser afetada por este. É importante notar que as ondas sonoras não se perturbam entre si quando vários sensores ultra-sônicos são usados ​​simultaneamente. 

#define ULTRASONIC_SPEED_OF_SOUND 33000 // cm/s
 
// Ultrasonic distance measuring
unsigned short ultrasonic_measure_srf05(pin triggerecho)
{   
    // Pin setup
    pin_setup_output(triggerecho);
 
    // Set timer 3 to normal mode
    // with period of F_CPU / 8
    timer3_init_normal(TIMER3_PRESCALE_8);      
 
    // Create trigger pulse
    pin_set(triggerecho);
 
    // Reset timer
    timer3_overflow_flag_clear();
    timer3_set_value(0);    
 
    // Wait ~10 us
    while (timer3_get_value() < 18) {}
 
    // End trigger pulse
    pin_clear(triggerecho);
 
    //short delay
    sw_delay_ms(1);
 
    //set the pin as input
    pin_setup_input_with_pullup(triggerecho);
 
    // Wait for echo start
    while (!pin_get_value(triggerecho))
    {
        // Timeout ?
        if (timer3_overflow_flag_is_set())
        {
            return 0;
        }
    }
 
    // Reset timer again
    timer3_set_value(0);
 
    // Wait for echo end    
    while (pin_get_value(triggerecho))
    {
        // Timeout ?
        if (timer3_overflow_flag_is_set())
        {
            return 0;
        }
    }
 
    // Convert time to distance:
    //   distance = timer * (1 / (F_CPU / 8)) * speed / 2
    return (unsigned long)timer3_get_value() *
        ULTRASONIC_SPEED_OF_SOUND / (F_CPU / 4);
}

A função apresentada permite ao utilizador escolher o pin de eco/disparo, de modo que o sensor possa ser ligado onde é mais adequado ou onde existe mais espaço. Além disso, a liberdade de escolher os pins permite utilizar a função também em outros dispositivos que não só no HomeLab. A função apresentada pertence já à biblioteca do HomeLab e não é necessário reescrevê-la. Uma coisa deve ser lembrada: a função na biblioteca do HomeLab está rigidamente ligada à velocidade de relógio do módulo de controlo do HomeLab. Usando a função com outras frequências de relógio, esta gerará resultados incorretos. Para usar a função com outras frequências de relógio, esta deve ser implementada manualmente. O código seguinte demonstra o uso do sensor ultra-sónico SRF04/SRF05 com a biblioteca do HomeLab. Ao ligar o sensor é muito importante observar a polaridade da fonte. Sensores incorretamente ligados ficam irremediavelmente estragados. 

// The example program of the ultrasonic distance sensor of the HomeLab
// Measuring the distance is blocking.
#include <stdio.h>
#include <homelab/pin.h>
#include <homelab/delay.h>
#include <homelab/module/sensors.h>
#include <homelab/module/lcd_gfx.h>
 
// Pins of ultrasonic sensor
// Robotic HomeLab II
//pin pin_pin_trigger_echo = PIN(F, 2);
 
// Robotic HomeLab III
pin pin_trigger_echo = PIN(B, 2);
 
// Main program
int main(void)
{ 		 
	unsigned short distance;
	char text[16];	
 
	// Robotic HomeLab II
	// Switching to external sensors
	/*
	pin ex_sensors = PIN(G, 0);
	pin_setup_output(ex_sensors);
	pin_set(ex_sensors);
 	*/
 
	// Initialization of LCD
	lcd_gfx_init();
 
	// Clearing the LCD
	lcd_gfx_clear();
 
	// Line selection
	lcd_gfx_goto_char_xy(1,1);
 
	// Name of the program
	lcd_gfx_write_string("Ultrasonic sensor");
 
	// Little delay
	sw_delay_ms(100);
 
 	// Endless loop.
	while (1)
	{
		// Measuring
		distance = ultrasonic_measure_srf05(pin_trigger_echo);
 
		// Was the measuring successful ?
		if (distance > 0)
		{			
			// converting the distance to text.
			sprintf(text, "%3d cm   ", distance);
		}
		// Were there errors during the measuring ?
		else
		{
			// Text of the error.
			sprintf(text, "Error    ");
		}			
 
		// Displaying the text on the LCD
		lcd_gfx_goto_char_xy(3, 3);
		lcd_gfx_write_string(text);
 
		// Little delay
		sw_delay_ms(500);
	}
}

Para se certificar-se de que o sensor ultra-sónico começou realmente a trabalhar, deve verificar-se se o pequeno LED, que está localizado na parte de trás do sensor, pisca a cada medição.