Ультразвуковой датчик HC-SR04 – дальномер на микроконтроллере

Просматривая в сети модули для робототехники, я наткнулся на ультразвуковой измеритель расстояния HC-SR04, после чего решил испытать его в действии и приобрел данный модуль в Китае за невысокую цену. На модуле установлены два пъезоизлучателя, один из которых является излучателем, а другой приемником звуковых волн. Принцип действия основан на измерении времени между излучением и приемом отраженных от объекта звуковых волн, при этом зная скорость звука в воздухе можно вычислить расстояние до объекта: S=(Vзв х t)/2, где Vзв – скорость звука в воздухе, которая составляет в среднем 330-340 м/с, t – промежуток времени между излучением и приемом отраженного звукового сигнала.

Модуль можно заказать здесь. По заявленным характеристикам модуль измеряет расстояния от 2 см до 4 м, частота ультразвука составляет 40 кГц. На следующей картинке представлена диаграмма работы модуля:

Для начала цикла измерения необходимо подать на вывод Trig положительный импульс длительностью 10 мкс, после чего модуль подает на излучатель 8 пачек импульсов с частотой 40 кГц, и переключается в режим приема эха, отраженного от объекта. На выводе Echo появляется положительный импульс, длительность которого прямо пропорциональна расстоянию до объекта. Расстояние рассчитывается по следующей формуле: S(см)=Tимп(мкс)/58, где Tимп – длительность импульса на выводе Echo в микросекундах, S – расстояние до объекта в сантиметрах. Рекомендуемая пауза между циклами измерений составляет 60 мс, пауза нужна для исчезновения эха от предыдущего измерения.

Ниже представлена схема дальномера на микроконтроллере PIC16F628A с применением ультразвукового (УЗ) модуля:

Для отображения результатов измерения я использовал цифровой индикатор на микросхеме MAX7219, в микроконтроллере включены прерывания по изменению уровня на входах RB4-RB7, вывод Echo модуля A1 подключен к линии RB4, линии RB5-RB7 настроены на выход для исключения ложного срабатывания, они используются для управления индикатором HG1. Напомню что, в микроконтроллере PIC16F628A, прерывания по изменению уровня на входах RB4-RB7 включаются для всех четырех линий, возможность индивидуальной настройки каждой линии отсутствует.

Теперь рассмотрим код программы микроконтроллера:

Микроконтроллер работает от внутреннего тактового генератора частотой 4 МГц. В начале основной программы выполняется настройка линий ввода\вывода, далее настраивается 16-ти разрядный таймер TMR1, с помощью него будет производиться измерение длительности импульса на выходе УЗ модуля. Коэффициент предделителя таймера устанавливается равным 1:1, выбирается внутренний источник тактового сигнала Fosc/4, при таких настройках таймер переполнится через 65536 мкс, инкремент происходит каждую микросекунду. Далее разрешаются прерывания периферийных модулей, прерывание по переполнению таймера TMR1. Вызывается подпрограмма инициализации (init_lcd) драйвера MAX7219 цифрового индикатора, после чего вызывается подпрограмма signal_not, для вывода символов тире “- – -” на цифровой индикатор. Следом идет вызов подпрограммы запуска цикла измерения start_pul, в подпрограмме выполняется сброс флага готовности измерения flag,1, на линии trig (RB3) устанавливается высокий логический уровень на 10 мкс, тем самым УЗ модуль начинает процесс измерения. После подачи команды, сбрасываем флаг и разрешаем прерывания по изменению уровня на входах RB4-RB7, после выхода из подпрограммы start_pul, разрешаем глобальные прерывания и переходим к опросу флага готовности flag,1 и флага получения длительности импульса flag,0.

Спустя некоторое время УЗ модуль устанавливает высокий логический уровень на выводе Echo, происходит прерывание по изменению уровня на линии RB4 и переход в обработчик прерываний. В подпрограмме обработки прерываний проверяется состояние линии echo (RB4), и если оно равно 1, выполняется запуск таймера TMR1, тем самым начинается процесс измерения длительности импульса. После запуска таймера выполняется сброс флага прерываний по изменению уровня на входах RB4-RB7 и выход из обработчика прерываний.

Через определенный промежуток времени (пропорциональный расстояние до объекта) на линии RB4 устанавливается низкий логический уровень, происходит очередное прерывание по изменению уровня RB4. В обработчике прерываний снова проверяется состояние линии echo (RB4), на этот раз оно равно нулю и происходит переход на метку stop_tmr1. Выполняется остановка таймера TMR1, значение регистров таймера (в микросекундах) копируется в регистры хранения длительности импульса (varHH, varLL), запрещаются прерывания по изменению уровня на RB4-RB7, устанавливается флаг получения длительности импульса flag,0. Таким образом, заканчивается цикл измерения расстояния УЗ модулем.

Далее настраивается счетчик времени для организации паузы после цикла измерения расстояния, в регистр счетчика времени shet записывается число 4, обнуляются регистры таймера TMR1, сбрасывается флаг прерывания по переполнению таймера, выполняется запуск таймера и выход из обработчика прерывания. По переполнению таймера происходит вход в обработчик прерываний и переход на метку prov_tmr1, где проверяется состояние бита разрешения прерываний по изменению уровня на RB4-RB7, и если он равен нулю выполняется декремент регистра shet. Если содержимое регистра shet не равно нулю происходит сброс флага прерываний по переполнению таймера TMR1и выход из обработчика прерываний. Когда значение регистра shet станет равным нулю, будет выполнена остановка таймера TMR1, обнуление его регистров, установка флага готовности измерения flag,1, сброс флага прерывания и выход из обработчика прерываний. Таким образом, продолжительность паузы составит (65536мкс) х 4=262,144 мс, паузу можно изменить, записав другое значение в регистр shet.

В основной программе при получении подтверждения об окончании процесса измерения (опрос флага flag,0) вызывается подпрограмма (vivod) расчета и вывода расстояния до объекта на цифровой индикатор. В подпрограмме vivod сбрасывается флаг flag,0 и вызывается подпрограмма деления (del) длительности импульса на число 58, после возврата в регистрах rezHH, rezLL, находится значение расстояния до объекта в сантиметрах. Если значение больше 400 см, на цифровой индикатор выводятся символы тире “- – -”, я применил данное ограничения опираясь на характеристики УЗ модуля.

При значениях расстояния менее 400 см, вызывается подпрограмма (bin2bcd) преобразования двоичного числа в двоично-десятичное, далее в подпрограмме send_rast десятичное значение расстояния выводится на цифровой индикатор. После вывода, происходит возврат из подпрограммы vivod и дальнейший опрос флагов flag,0 и flag,1. Если флаг готовности (flag,1) равен 1, происходит вызов подпрограммы start_pul, тем самым запускается новый цикл измерения расстояния.

В процессе измерения длительности импульса на линии echo (RB4), может возникнуть переполнение таймера TMR1, например, из-за большого расстояния до объекта или его отсутствии. Для этого случая в обработчике прерывания при переходе на метку prov_tmr1, проверяется состояние бита разрешения прерываний по изменению уровня на RB4-RB7, если значение бита равно 1, то длительность импульса превысила 65,536 мс. При этом в регистры таймера записывается число 39936 (соответствует расстоянию в 688 см) и выполняется переход на метку s_t1. Во время проверки значения расстояния в основной программе, из-за ограничения в 400 см, на индикаторе будут отображаться символы тире “- – -”.

Модуль довольно точно измеряет расстояния, по крайней мере, на коротких дистанциях, в характеристиках указано, что модуль измеряет расстояния до 4-х метров, но на самом деле больше, я получал показания вплоть до 5-ти метров.

На следующем видеоролике показан процесс измерения расстояния с применением УЗ модуля HC-SR04:

Прошивка МК и исходник