Ultraheli kaugusmõõdik SRF04

Vajalikud teadmised: [HW] Andurite moodul, [HW] Kasutajaliidese moodul, [AVR] Loendurid/Taimerid, [LIB] Taimerid, [LIB] Graafiline LCD, [LIB] Andurid, [PRT] Riistvaraline viide

SRF04 ultraheli kaugusmõõdik

Ultraheli kaugusmõõdik määrab objekti(de) kaugust, mõõtes helilaine objektilt tagasipeegeldumise aega. Helilaine sagedus asub ultraheli sageduse piirkonnas, mis tagab kontsentreerituma helilaine suuna, sest kõrgema sagedusega heli hajub keskkonnas vähem. Tüüpiline ultraheli kaugusmõõdik koosneb kahest membraanist, millest üks genereerib heli ja teine registreerib tagasipeegelduva kaja. Piltlikult öeldes on tegu kõlari ja mikrofoniga. Heligeneraator tekitab lühikese, mõne perioodi pikkuse ultraheli impulsi ja käivitab taimeri. Teine membraan registreerib peegeldunud impulsi saabumise ja peatab taimeri. Taimeri ajast on heli kiiruse järgi võimalik välja arvutada helilaine läbitud teepikkus. Objekti kaugus on ligikaudu pool helilaine teepikkusest.

Ultraheli kaugusmõõdiku tööpõhimõte

Ultraheli kaugusmõõdikutel on igapäevaelus mitmeid rakendusi. Neid kasutatakse mõõdulintide asendajatena kauguse mõõtmise seadmetes, näiteks ehitusel. Tänapäeva autod on varustatud tagurdamisel takistusest hoiatavate ultraheliandurite ja hoiatussignaaliga. Peale kauguse mõõtmise võivad nad lihtsalt registreerida objekti olemasolu mõõtepiirkonnas, näiteks tööstusmasinate ohualades. Kui ultraheli kiirgur ja vastuvõtja eraldada, saab mõõta nende vahel voolava aine voolukiirust, sest vastuvoolu levib helilaine aeglasemalt ja pärivoolu kiiremini.

Kodulabori Andurite mooduli komplektis on Devantech SRF04 või SRF05 ultraheli kaugusmõõdik. SRF04/SRF05 on ainult andur, mis otseselt kauguse infot ei väljasta. Anduril on peale toiteviikude veel päästiku ja kaja viik. Päästiku viiku kõrgeks seades genereerib andur 8-perioodilise 40 kHz ultraheli laine. Sel hetkel läheb kõrgeks kaja viik ja jääb kõrgeks niikauaks, kuni peegeldunud helilaine on andurini jõudnud. Seega põhimõtteliselt näitab kaja signaal aega, mille jooksul heli levib objektini ja tagasi. Mõõtes seda aega, korrutades seda heli levimise kiirusega ja jagades kahega, saab leida objekti kauguse. Päästiku, helilaine kiirguri ja kaja signaale ajas iseloomustab kõrvalolev graafik.

SRF04 signaalid

Devantech-i ultrahelianduri AVR-iga kasutamiseks tuleb selle päästiku ja kaja viigud ühendada mõnede AVR-i viikudega. Aja mõõtmiseks on sobiv kasutada 16-bitist taimerit, näiteks timer3. Järgnevalt on toodud funktsioon, mis teostab kogu mõõtmisprotseduuri - genereerib päästiku signaali, käivitab taimeri, mõõdab kajasignaali pikkust ja teisendab selle kauguseks sentimeetrites. Funktsioon on blokeeruv ehk protsessor on sellega hõivatud senikaua, kuni mõõtetulemus on käes või mõõtmine venib lubatust pikemaks. Mida kiiremini kaja saabub, seda kiiremini saab mõõtetulemuse. Kui kaja ei saabugi, ootab funksioon seda ~36 ms ja tagastab seejärel 0. Oluline on mõõtmiste vahele jätta mõnikümmend millisekundit pausi, et eelmisel mõõtmisel tekitatud helilaine jõuaks sumbuda ega rikuks uut mõõtmist. Kui kasutatakse samaaegselt mitut ultraheli andurit, tuleb samuti jälgida, et helilained ei kattuks.

#define ULTRASONIC_SPEED_OF_SOUND 33000 // cm/s
 
//
// Ultraheli kaugusanduriga mõõtmine
//
unsigned short ultrasonic_measure_srf04(pin trigger, pin echo)
{	
	// Viikude seadistus
	pin_setup_output(trigger);
	pin_setup_input_with_pullup(echo);
 
	// Taimer 3 normaalrežiimi
	// perioodiga F_CPU / 8
	timer3_init_normal(TIMER3_PRESCALE_8);
 
	// Päästiku viik kõrgeks
	pin_set(trigger);
 
	// Taimeri nullimine
	timer3_overflow_flag_clear();
	timer3_set_value(0);	
 
	// ~10 us ootamine
	while (timer3_get_value() < 18) {}
 
	// Päästiku viik madalaks
	pin_clear(trigger);
 
	// Kaja signaali alguse ootamine
	while (!pin_get_value(echo))
	{
		// Liiga kaua oodatud ?
		if (timer3_overflow_flag_is_set())
		{
			return 0;
		}
	}
 
	// Taimeri nullimine
	timer3_set_value(0);
 
	// Kaja signaali lõpu ootamine
	while (pin_get_value(echo))
	{
		// Liiga kaua oodatud ?
		if (timer3_overflow_flag_is_set())
		{
			return 0;
		}
	}
 
	// Mõõdetud aja kauguseks teisendamine
	//   kaugus = aeg * (1 / (F_CPU / 8)) * heli kiirus / 2
	return (unsigned long)timer3_get_value() *
		ULTRASONIC_SPEED_OF_SOUND / (F_CPU / 4);
}

Toodud funktsioon jätab päästiku ja kaja viigu kasutaja valida, nii et andurit saab ühendada sinna, kus on sobivam või kus on ruumi. Lisaks võimaldab viikude valiku vabadus funktsiooni kasutada ka mujal kui Kodulabori komplektis. Toodud funktsioon kuulub ka Kodulabori teeki, nii et seda ei pea oma programmi eraldi kirjutama. Peab aga arvestama, et Kodulabori teegis on see funktsioon jäigalt seotud Kodulabori Kontrollermooduli taktsagedusega 14,7456 Mhz ja muude taktsageduste puhul annaks funktsioon vale tulemuse. Muu taktsageduse korral tuleb see funktsioon ise oma programmmi kirjutada. Järgnevalt esitatud programmikood demonstreerib SRF04/SRF05 ultrahelianduri kasutamist Kodulabori teegiga.

//
// Kodulabori ultraheli kaugusanduri näidisprogramm.
// Kauguse mõõtmise funktsioon on blokeeruv.
//
#include <stdio.h>
#include <homelab/pin.h>
#include <homelab/delay.h>
#include <homelab/module/sensors.h>
#include <homelab/module/lcd_alpha.h>
 
//
// Ultraheli anduri viigud
//
pin pin_trigger = PIN(G, 1);
pin pin_echo    = PIN(G, 0);
 
//
// Põhiprogramm
//
int main(void)
{ 		 
	unsigned short distance;
	char text[16];	
 
	// LCD ekraani seadistamine
	lcd_alpha_init(LCD_ALPHA_DISP_ON);
 
	// LCD ekraani puhastamine
	lcd_alpha_clear();
 
	// Programmi nimi
	lcd_alpha_write_string("Ultraheli");
 
	// Väike paus
	sw_delay_ms(100);
 
 	// Lõputu tsükkel
	while (true)
	{
		// Mõõtmine
		distance = ultrasonic_measure_srf04(pin_trigger, pin_echo);
 
		// Mõõtmine õnnestus ?
		if (distance > 0)
		{			
			// Kauguse tekstiks teisendamine
			sprintf(text, "%d cm   ", distance);
		}
		// Mõõtmisel tekkis viga ?
		else
		{
			// Vea tekst
			sprintf(text, "Viga    ");
		}			
 
		// Teksti kuvamine LCD teise rea alguses
		lcd_alpha_goto_xy(0, 1);
		lcd_alpha_write_string(text);
 
		// Väike paus
		sw_delay_ms(500);
	}
}