Ultrazvukový radar so senzorom Ping)))

Záverečný projekt predmetu MIPS / LS2026 - Mihály Bertalan Vasas

Zadanie

Navrhnite a realizujte zariadenie na bezkontaktné meranie vzdialenosti s využitím ultrazvukového senzora PING))) a mikrokontroléra ATmega328P. Nameraná vzdialenosť v centimetroch musí byť v reálnom čase zobrazovaná na alfanumerickom LCD displeji a súčasne odosielaná prostredníctvom sériovej linky (UART) do počítača pre účely monitorovania.

Literatúra:

• LCD displey
• Ping))) datasheet

Analýza a opis riešenia

Základom riadiaceho systému je vývojová doska s mikrokontrolérom ATmega328P. K nej sú pripojené dva hlavné periférne moduly: ultrazvukový senzor a alfanumerický displej.

Ultrazvukový senzor.

Ultrazvukový senzor PING)))

Senzor PING))) umožňuje merať vzdialenosť objektov v rozsahu od 2 cm do 3 metrov na frekvencii 40 kHz. Jeho kľúčovou vlastnosťou je využitie jedného obojsmerného signálového pinu (SIG) na vysielanie aj príjem dát, čo šetrí IO piny mikrokontroléra.

• Trigger fáza: Pin sa nastaví ako výstupný a vygeneruje sa 5 µs impulz.
• Echo fáza: Pin sa prepne na vstupný a meria sa dĺžka trvania vysokého logického stavu (HIGH), ktorý generuje senzor po prijatí odrazenej vlny.

LCD Displej 1602-A

Alfanumerický displej s radičom Hitachi HD44780 umožňuje zobraziť 2 riadky po 16 znakov. V projekte je zapojený v úspornom 4-bitovom režime. Kontrast je riadený analógovým napätím privedeným na pin V0.

Schéma zapojenia

Schéma zapojenia.

Algoritmus a program

Program pracuje v nekonečnej slučke s periódou vzorkovania 200 ms. Na presné odmeranie dĺžky impulzu Echo sa využíva interný 16-bitový hardvérový časovač Timer1. Na základe frekvencie hodín 16 MHz a nastavenia preddeličky (prescalera) na hodnotu 8 platí, že časovač sa inkrementuje každých 0,5 µs.

Matematický model

Rýchlosť zvuku vo vzduchu je:

v = 343 [m/s] = 0,0343 [cm/µs]

Keďže zvuk prejde dráhu k prekážke a späť, skutočná vzdialenosť d je:

d = (v · t) / 2 = (0,0343 · t) / 2 = t / 58,3

Kde t je čas v mikrosekundách. Keďže jeden tik časovača reprezentuje 0,5µs (t = ticks · 0,5), výsledný vzorec po dosadení je:

d = (ticks · 0,5) / 58 = ticks / 116)

Nameraná hodnota sa následne sformátuje pomocou `snprintf` a odošle na LCD displej a cez sériovú linku UART (9600 baud) do PC.

Zdrojový kód

AVR C-code

#define F_CPU 16000000UL 
#include <avr/io.h>
#include <util/delay.h>
#include <stdio.h>

#include "lcd_ch.h"
#include "uart.h" 

#define PING_PIN PB0 // Arduino D8

void timer1_init() {
    // Nastavenie Timer1: Normal mode, vypnutý na začiatku
    TCCR1A = 0;
    TCCR1B = 0;
}

uint16_t measure_distance(void) {
    uint16_t ticks = 0;

    // Trigger impulzus (min. 5 us pre PING))) senzor)
    DDRB |= (1 << PING_PIN);    // Nastaviť ako výstup
    PORTB |= (1 << PING_PIN);   // Nastaviť HIGH
    _delay_us(5);
    PORTB &= ~(1 << PING_PIN);  // Nastaviť LOW

    // Prepnutie na vstup pre príjem Echo signálu
    DDRB &= ~(1 << PING_PIN);

    // Čakanie na začiatok Echo impulzu (logická 1)
    while (!(PINB & (1 << PING_PIN)));

    // Štart časovača Timer1 s preddeličkou 8 (Prescaler 8)
    // Pri frekvencii 16MHz: 1 tick = 8 / 16 000 000 = 0,5 us
    TCNT1 = 0;             // Vynulovať počítadlo
    TCCR1B |= (1 << CS11); // Spustiť časovač

    // Meranie dĺžky impulzu (kým je signál HIGH)
    while (PINB & (1 << PING_PIN)) {
        if (TCNT1 > 60000) break; // Timeout ochrana
    }

    // Zastavenie časovača a uloženie hodnoty
    ticks = TCNT1;
    TCCR1B = 0; 

    // Výpočet vzdialenosti 
    // t = ticks * 0,5 us (čas v mikrosekundách)
    // d = t / 58  (vzdialenosť v cm pre cestu tam a späť)
    // d = (ticks * 0,5) / 58  =>  d = ticks / 116
    return (ticks / 116); 
}

int main(void) {
    char buffer[16];
    
    uart_init();
    lcd_init();
    timer1_init();

    while (1) {
        uint16_t distance = measure_distance();

        // Formátovanie textu pre LCD (vzdialenosť v cm)
        snprintf(buffer, sizeof(buffer), "Vzdial: %u cm   ", distance);
        lcd_command(0x80); // Skok na začiatok 1. riadku
        zob_text(buffer);

        // Odoslanie údajov do PC (Serial Monitor)
        uart_puts(buffer);
        uart_puts("\r\n");

        _delay_ms(200); // Pauza medzi meraniami
    }
}

void adc_init(void);                                   // A/D converter initialization

unsigned int adc_read(char a_pin);

Kompletný projekt na stiahnutie: MihalyBertalanVasas_MIPS.zip

Overenie a výsledky

Systém bol otestovaný umiestnením kalibrovanej prekážky do známych vzdialeností (10, 15 a 20 cm) pred senzor. Výsledky merania zobrazené na alfanumerickom LCD displeji plne korešpondovali s reálnym stavom a vykazovali vysokú stabilitu. Súbežne prebiehal prenos dát cez UART rozhranie do aplikácie Serial Monitor v PC, kde bol potvrdený plynulý tok hodnôt bez straty paketov či zamŕzania mikrokontroléra.

Video:

Záver a diskusia

Ťažkosti spočívali v nesprávnom výpočte vzdialenosti d a následne, keď sa mi podarilo prísť na to, kde je pravdepodobne chyba, AVR Studio nefungovalo tak, ako malo, pretože po viacerých pokusoch o kompiláciu program kód reálne nepreložil.

Kľúčové slová 'Category', ktoré sú na konci stránky nemeňte.