ใบงานที่4 เรื่องการใช้งานเซนเซอร์วัดระยะทาง HC-SR04

ผู้จัดทำ

1.นางสาวณัฐธิชา ชนเก่าน้อย 011

2. นางสาวกุลจิรา      ทองคง 003

หลักการทำงาน

HC-SR04 เป็นเซนเซอร์โมดูลสำหรับตรวจจับวัตถุและวัดระยะทางแบบไม่สัมผัส [1-2] โดยใช้คลื่นอัลตราโซนิก ซึ่งเป็นคลื่นเสียงความถี่สูงเกินกว่าการได้ยินของมนุษย์ วัดระยะได้ตั้งแต่ 2 – 400 เซนติเมตร หรือ 1 – 156 นิ้ว สามารถต่อใช้งานกับไมโครคอนโทรลเลอร์ได้ง่าย ใช้พลังงานต่ำ เหมาะกับการนำไปประยุกต์ใช้งานด้านระบบควบคุมอัตโนมัติ หรืองานด้านหุ่นยนต์ หลักการทำงาน จะเหมือนกันกับการตรวจจับวัตถุด้วยเสียงของค้างคาว ตามรูปที่ 1 โดยจะประกอบไปด้วยตัว รับ-ส่ง อัลตราโซนิก ตัวส่งจะส่งคลื่นความถี่ 40 kHz ออกไปในอากาศด้วยความเร็วประมาณ 346 เมตรต่อวินาที และตัวรับจะคอยรับสัญญาณที่สะท้อนกลับจากวัตถุ เมื่อทราบความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่น, เวลาที่ใช้ในการเดินทางไป-กลับ (t) ก็จะสามารถคำนวณหาระยะห่างของวัตถุ (S) ได้จาก

 S = 346 × 0.5t                                    (1)

 

หลักการตรวจจับและวัดระยะห่างระหว่างวัตถุด้วยคลื่นเสียง

เพื่อให้การคำนวณหาระยะเป็นไปด้วยความง่าย โมดูลเซนเซอร์นี้จึงได้ประมวลผลให้เรียบร้อยแล้ว และส่งผลลัพธ์ของการคำนวณเป็นสัญญาณพัลส์ที่มีความกว้างสัมพันธ์กับระยะทางที่วัดได้

การต่อใช้งานโมดูล

โมดูลนี้มีจุดต่อใช้งานทั้งหมด 4 จุด การใช้งานบอร์ด STM32F4DISCOVERY การทดลองในเบื้องต้นสามารถต่อวงจรอย่างง่ายได้โดยใช้โปรโตบอร์ดและสายไฟต่อวงจรตามรูปที่ 2 ทั้งนี้ต้องตรวจสอบคุณสมบัติของพอร์ตของไมโครคอนโทรลเลอร์จากดาต้าชีท [3] ว่าสามารถทนระดับแรงดันลอจิก High (5V) ได้

1. ขา VCC สำหรับต่อแรงดันไฟเลี้ยงไม่เกิน 5V
2. ขา Trig เป็นขาอินพุตรับสัญญาณพัลส์ความกว้าง 10 ไมโครวินาทีเพื่อกระตุ้นการสร้างคลื่นอัลตราโซนิกความถี่ 40KHz ออกสู่อากาศจากตัวส่ง
3. ขา Echo เป็นขาเอาต์พุตสำหรับส่งสัญญาณพัลส์ออกจากโมดูลไปยังไมโครคอนโทรลเลอร์ เพื่อตรวจจับความกว้างของสัญญาณพัลส์และคำนวณเป็นระยะทาง
4. ขา GND สำหรับต่อจุดกราวด์ร่วมแรงดันและสัญญาณ

          ตามคุณลักษณะของเซนเซอร์ จะต้องสร้างสัญญาณพัลส์ความกว้างไม่น้อยกว่า 10 msec ป้อนเข้าที่ขา Trig หลังจากนั้นอีกประมาณ 1.4 msec จึงจะเริ่มมีสัญญาณพัลส์เกิดขึ้นที่ขา Echo มีความกว้างของสัญญาณตั้งแต่ 150 usec – 25 msec ซึ่งถ้าหากกว้างกว่านี้จะถือว่าตรวจไม่พบวัตถุ หลังจากนั้นควรหน่วงเวลาออกไปอีก 10 mS จึงจะส่งสัญญาณ Trig ออกไปอีกรอบ ตามรูปที่ 3

รูปที่ 3 สัญญาณที่ขา Trig และขา Echo ของโมดูลเซนเซอร์อัลตราโซนิก HC-SR04

  การตรวจจับความกว้างของสัญญาณใช้โมดูล PWM Capture ซึ่งให้เอาต์พุตออกมาเป็นเวลาในหน่วยวินาที และใช้สมการ (2) หรือ (3) เพื่อคำนวณหาระยะทางระหว่างวัตถุที่ตรวจพบ

ระยะทาง (cm) = ความกว้างของสัญญาณ Echo * 106 /58                         (2)

ระยะทาง (inch) = ความกว้างของสัญญาณ Echo * 106 /148                        (3)

ทดสอบการทำงานของเซนเซอร์เบื้องต้น

การทดลองนี้เป็นการทดสอบการทำงานในเบื้องต้นของเซนเซอร์ โดยอ่านข้อมูลจากเซนเซอร์แล้วส่งไปแสดงผลบนพีซี  ให้ต่อเซนเซอร์โมดูลเข้ากับบอร์ดทดลอง aMG Lab Kit-F4 ตามรูปที่ 4 จากนั้นให้โปรแกรมตามรูปที่ 5 อาศัยข้อมูลคุณลักษณะของเซนเซอร์จากรูปที่ 3 โปรแกรมนี้ได้สร้างสัญญาณ Trig ความกว้าง 1 mS ความถี่ 27 Hz ออกทางขา PB7 ของไมโครคอนโทรลเลอร์ บล็อก PWM Capture ใช้สำหรับตรวจวัดความกว้างสัญญาณ Echo ที่เข้ามาทางขา PB6 และส่งข้อมูลซึ่งประกอบไปด้วย ความกว้างของสัญญาณ Echo, เปอร์เซ็นต์ดิวตี้ไซเคิลของสัญญาณ Echo, และความถี่ของสัญญาณ Trig ไปแสดงที่พีซีด้วยบล็อก USART  

ให้โปรแกรมรับค่าที่ส่งมาจากไมโครฯ ตามรูปที่ 6 สัญญาณความกว้างพัลส์จะถูกแปลงให้อยู่ในหน่วยmsec และหารด้วย 58 เพื่อแสดงค่าระยะทางที่ตรวจจับวัตถุได้ในหน่วยเซนติเมตร

 สรุป

บทความนี้เป็นการนำเสนอตัวอย่างการใช้บล็อก PWM Capture เพื่อวัดความกว้างของสัญญาณพัลส์ โดยใช้ตัวอย่างเซนเซอร์วัดระยะทางแบบไม่สัมผัสด้วยคลื่นอัลตราโซนิก เป็นกรณีศึกษาเพื่อให้ผู้ที่สนใจ หรือผู้ที่ทำโครงงานเกี่ยวกับไมโครคอนโทรลเลอร์จะได้นำเอาไปเป็นตัวอย่างเพื่อประยุกต์ใช้งานได้ ข้อแนะนำในการใช้งานเพื่อการวัดที่แม่นยำของเซนเซอร์นี้คือ มุมในการวัดควรอยู่ในช่วงไม่เกิน 15 องศา และพื้นผิวที่วัดควรจะเรียบมีพื้นที่ไม่น้อยกว่า 0.5 ตารางเมตร

อุปกรณ์

1. บอร์ด Arduino บอร์ด

2. สายไฟ ผู้-ผู้ 11 เส้น

3. LED 6 ดวง

4. สายUSB

5. ตัวต้านทาน 6 ตัว

6. HC-SR04 1 ตัว

code

#define trigPin 7

#define echoPin 6

#define led 13

#define led2 12

#define led3 11

#define led4 10

#define led5 9

#define led6 8

void setup() {

  Serial.begin (9600);

  pinMode(trigPin, OUTPUT);

  pinMode(echoPin, INPUT);

  pinMode(led, OUTPUT);

  pinMode(led2, OUTPUT);

  pinMode(led3, OUTPUT);

  pinMode(led4, OUTPUT);

  pinMode(led5, OUTPUT);

  pinMode(led6, OUTPUT);

}

void loop() {

  long duration, distance;

  digitalWrite(trigPin, LOW); 

  delayMicroseconds(2);

  digitalWrite(trigPin, HIGH);

  delayMicroseconds(10);

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

  distance = (duration/2) / 29.1;

  if (distance <= 30) {

    digitalWrite(led, HIGH);

    }

  else {

    digitalWrite(led,LOW);

  }

  if (distance < 25) {

      digitalWrite(led2, HIGH);

      }

  else {

      digitalWrite(led2, LOW);

  }

  if (distance < 20) {

      digitalWrite(led3, HIGH);

      } 

  else {

    digitalWrite(led3, LOW);

  }

  if (distance < 15) {

    digitalWrite(led4, HIGH);

}

  else {

    digitalWrite(led4,LOW);

  }

  if (distance < 10) {

    digitalWrite(led5, HIGH);

}

  else {

    digitalWrite(led5,LOW);

  }

  if (distance < 5)

  {

    digitalWrite(led, HIGH);

    digitalWrite(led2, HIGH);

    digitalWrite(led3, HIGH);

    digitalWrite(led4, HIGH);

    digitalWrite(led5, HIGH);

    digitalWrite(led6, HIGH);

     delay(200);

    digitalWrite(led, LOW);

    digitalWrite(led2,  LOW);

    digitalWrite(led3,  LOW);

    digitalWrite(led4,  LOW);

    digitalWrite(led5,  LOW);

    digitalWrite(led6,  LOW);

    delay(200);   

  }

  }

https://drive.google.com/open?id=1mxm9_m2ieS2WULOARkbQsfqRlE02WFSt

คำอธิบาย

 ถ้า ระยะทางตั้งแต่ 21 – 30 ซม. Led สีเขียวติด 2 ดวง

- ถ้า ระยะทางตั้งแต่ 11 – 20 Led สีเหลืองติด 2 ดวง (สีเขียว ยังคงติด)

- ถ้า ระยะทางตั้งแต่ 6 -  10  Led สีแดงติด 2 ดวง  (สีเขียว และ เหลือง ยังคงติด)

- ถ้า ระยะทาง น้อยกว่า 6 ให้ Led กระพริบทั้ง 6 ดวง (ติด 0.3 วินาที ดับ 0.3 วินาที)

- ถ้าเงื่อนไขนอกจากนี้ให้ Led ดับทั้งหมด

บน serial monitor ให้แสดงระยะทางหน่วยเป็น ซม.

รูปวงจร

https://drive.google.com/open?id=14RksbdKGuHv1mBJ_BSYP2B_pVSRF_uVY

วิดีโอ