Mikrovlnný radar

Autori:	Boris Dobrovič, Filip Jančík
Študijný odbor:	Aplikovaná mechatronika a elektromobilita	1. Ing. (2019)

Zadanie

Použitý radar

Oboznámiť sa s mikrovlnným radarom HB100 MC420S otestovanie funkčnosti radaru a vytvorenie praktického programu.

Úlohy

• Nájdite si datasheet k danému senzoru
• Nájdite si schémy zapojenia dosky
• Na základe predošlých vedomostí navrhnite spôsob pripojenia k riadiacej jednotke
• Napíšte základný demonštračný program využívajúci vaše funkcie
• Vymyslite a demonštrujte vhodnú aplikáciu

Literatúra:

• Návod
• HB100 MC420S Doppler Radar Datasheet
• Doska PBMCUSLK:MCU Project Board (Datasheet)
• Operačný zosilňovač Texas Instruments LM324 (Datasheet)

Analýza

• Po zapojení senzora priamo na Arduino podľa návodu sme narazili na problém (pravdepodobne chybu senzora): v Arduino programe sme čítali nulovú hodnotu na analógovom vstupe (pin A1).
• Osciloskopom sme zistili, že mikrovlnný senzor je v poriadku, ale vracia na výstup záporné napätie v intervale -200mV až -100mV.
• Použili sme projektovú dosku a invertujúci zosilňovač na pretransformovanie záporného napätia na interval 2 až 5V (Arduino dokáže detegovať napätie na analógovom vstupe od 0V do 5V).
• Osciloskopom sme otestovali správne zapojenie a funkčnosť senzora.
• Vytvorili sme Arduino program, ktorý dokáže efektívne detegovať pohyb pred senzorom

Popis riešenia

Podľa návodu bolo zapojenie senzora jednoznačné. Potrebovali sme zapojiť 4 piny zo senzora na Arduino dosku: 2 uzemnenia, napájanie a výstupný analógový signál.

Schéma zapojenia snímača podľa návodu

Arduino program avšak detegoval nulovú hodnotu na pine A1. Najprv sme niekoľkokrát overili zapojenie senzora do Arduina. Po rovnakom výsledku sme sa rozhodli otestovať ostatné analógové piny na Arduine, ale bez úspechu. Nakoniec sme sa rozhodli vymeniť celú Arduino dosku. Napriek tomu sme stále dostávali nulový výstup v našom testovacom programe. Rozhodli sme sa senzor skontrolovať pomocou osciloskopu, aby sme si overili, či senzor vôbec posiela nejaké údaje. Na výstupe zo senzora sme namerali -160mV ustálené napätie, ktoré sa správne menilo pri manipulovaní senzorom. Overili sme teda funkčnosť senzora, ale museli sme napätie prehodiť do intervalu 0 až 5V, ktorý je interval detekcie Arduina na analógovom vstupe.

Rozhodli sme sa vytvoriť schému s použitím invertujúceho zosilňovača a projektovej dosky aby sme dokázali previesť napätie zo záporných hodnôt do kladných hodnôť. Použili sme projektovú dosku PBMCUSLK:MCU Project Board a operačný zosilňovač Texas Instruments LM324. Vytvorili sme všeobecnú schému s invertujúcim zosilňovačom. Následne sme zapojili projektovú dosku, operačný zosilnovač a senzor do finálneho zapojenia aby sme otestovali funkčnosť tohto zapojenia. Náš výsledný projekt sme potom overili sme to pomocou osciloskopu.

Všeobecná schéma zpojenia

Schéma zapojenia pre zosilňovač LM324

Finálne zapojenie senzora

Týmto zapojením sme namerali následné hodnoty:

• Pri pomalom priblížení objektu k senzoru spôsobí zmenu výstupnej hodnoty. Senzor dokáže detegovať pohyb smeriaci k senzoru a od senzora:

• Senzor dokáže efektívne detegovať pohyb do maximálnej vzdialenosti 25cm. V konkrétnom prípade je zobrazené kývanie ruky vzdialenosti 25cm:

• Senzor ostro deteguje vertikálny a horizontálny pohyb v snímanej oblasti. Nasledujúcu zmenu spôsobilo kývanie rukou v tesnej blízkosti senzora:

Z našich meraní sme zistili, že senzor sníma v oblasti približne tvaru valca, do vzdialenosti cca 25cm(presná vyžarovacia charakteristika sa nachádza v Datasheet-e). Vo väčšej vzdialenosti než 25cm je senzor nespoľahlivý, pretože zmena hodnôt(napätia) je príliš malá aby sa dala efektívne rozlíšiť. Na povrchu snímača je detegovaný aj pohyb 1mm širokého objektu (spojovací káblik), čo znamená, že v primeranej vzdialenosti dokáže senzor detegovať v podstate akýkoľvek veľký predmet.

Senzor je vhodný na vyslanie signálu k spustenie systému pri detegovaní ľubovoľného pohybu, napr. pri automatickom zapnutí osvetlenia priestoru pri detekcií vstupu osoby alebo vypnutí po dlhšom čase bez detekcie. Jedná sa o mikrovlnný senzor, preto tento senzor dokáže pohyb aj za pevným objektom. Senzor nedokáže rozpoznávať gestá rúk.

Algoritmus a program

Vytvorili sme jednoduchý program na prácu s mikrovlnným radarom. Program je naprogramovaný v jazyku C a vytvorený bol pomocou vývojového prostredia Arduino IDE 1.8.9. Princíp programu spočíva v získavaní hodnôt, ktoré vstupujú cez pin A1 umiestnený na Arduine a následné spracovanie a vyhodnotenie údajov v reálnom čase. Pri testovaní sme zistili, že v prípade ak sa v snímacej zóne mikrovlnného radaru nenachádza žiaden objekt, hodnoty vracajúce arduinom sa nachádzajú v rozmedzí 740-800. Tieto dve hodnoty sme sa rozhodli nastaviť ako hraničné hodnoty pri porovnávaní. V prípade, že Arduino vráti hodnotu mimo našich hraničných hodnôt náš program zistí, že prišlo detekcii pohybu. Toto rozhodovanie sa nerobí z jedného údaju, ale vyhodnocuje sa priemer z 10-tich vzoriek pre lepšiu presnosť. Testovali sme aj vyhodnocovanie zo 100 a viac vzoriek, ale v našom prípade program už nebol veľmi presný. Pri rýchlej zmene pohybu predmetu bolo iba pár vzoriek mimo naše harničné hodnoty a na celkový priemer to nemalo veľký vplyv, čo spôsobilo že náš program nedetegoval pohyb.

V nasledujúcom odseku kódu je vidieť štandartné nastavenia pre Arduino UNO. Definovanie analógového pinu, konštanty a v funkcii "setup()" nastavenie baudrate-u a vizuálna informácia o štarte programu.

//definovanie pripojeniu pinu
#define pin A1


float vstup;  //vstup zo senzora
int vypocty = 10;  //pocet kalkulacii z ktorych sa robi priemer
//int vypocty = 100;

//setup
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  Serial.println("Start\n");
}

Jednoduchý rozhodovací mechanizmus či program našiel pohyb

//vypis zmeny
  if (priemer < 740) {
    Serial.println(" POHYB");
    delay(1000);
  }

  else if (priemer > 800) {
    Serial.println("POHYB");
    delay(1000);
    }

Vytvorenie priemeru z načítaných vstupov z analógového pinu A1 na Arduine

/// scitanie vstupov
  for (int i = 0; i < vypocty; i++) {
    vstup += analogRead(pin);
    delay(1);
  }

  //priemer zo vstupov
  float priemer = vstup / vypocty;

Celý zdrojový Arduino kód: DJ_mvs.ino

Overenie

Senzor vracia záporné napätie a preto nie je možné sa presne riadiť podľa návodu, ktorý sa nachádza ako online odkaz v sekcii literatúra. Na úspešné otestovanie(fungovanie) senzora je potrebné zapojiť senzor podľa presného postupu, ktorý je popísaný vyššie v tomto článku a zároveň okrem senzora a Arduina vlastniť dodatočné komponenty ako projektovú dosku a operačný zosilnovač. Potrebné je správne nastaviť Arduino IDE aby toto rozhranie vedelo správne komunikovať s mikrokontrolerom Arduino UNO. V nástrojoch nastaviť dosku(board) na "Arduino/Genuino uno" a port na "COM4" (môže sa líšiť). Do textového poľa rozhrania vložiť priložený zdrojový kód a nahrať(upload). Otvoriť funkciu Sériový monitor(Serial Monitor), nastaviť baudrate na rovnaký ako v zdrojovom kóde(9600) a sledovať výsledky.

Späť na zoznam projektov...