השוואת LV-MaxSonar-EZ ו- HC-SR04 מגשירי טווח סונרים עם Arduino: 20 שלבים (עם תמונות)

2024 מְחַבֵּר: John Day | [email protected]. שונה לאחרונה: 2024-01-30 09:14

אני מגלה שפרויקטים רבים (במיוחד רובוטים) דורשים, או יכולים להפיק תועלת, מדידת המרחק לאובייקט בזמן אמת. מוצאי טווחי הסונאר זולים יחסית וניתן להתממשק להם בקלות לבקר מיקרו כמו הארדואינו.

מדריך זה משווה בין שני מכשירי טווח סונרים קלים לרכישה, ומראה כיצד לחבר אותם לארדואינו, איזה קוד נדרש כדי לקרוא מהם ערכים וכיצד הם 'נמדדים' זה מול זה במצבים שונים. מכאן, אני מקווה שתקבל תובנה לגבי היתרונות והחסרונות של שני המכשירים שיעזרו לך להשתמש במכשיר המתאים ביותר בפרויקט הבא שלך.

רציתי להשוות את מכשיר ה- HC-SR04 (באג-עין) הפופולרי ביותר למכשיר LV-MaxSonar-EZ הפחות נפוץ כדי לראות מתי אולי ארצה להשתמש באחד ולא בשני. רציתי לשתף את הממצאים שלי ואת ההתקנה שלי, כך שתוכל להתנסות בשניים ולהחליט במה להשתמש בפרויקט הבא שלך.

למה שני אלה…

מדוע HC-SR04? ה- 'באג-עין' HC-SR04 פופולרי ביותר-מכמה סיבות:

• הוא לא יקר - 2 $ או פחות אם קונים אותו בכמויות גדולות
• קל יחסית להתממשק אליו
• הרבה מאוד פרויקטים משתמשים בו - כך שהוא מוכר ומובן היטב

מדוע LV-MaxSonar-EZ?

• קל מאוד להתממשק אליו
• יש לו גורם צורה טוב/קל לשילוב בפרויקט
• יש לו 5 גרסאות המתייחסות לדרישות מדידה שונות (ראה גליון נתונים)
• הוא (בדרך כלל) הרבה יותר מדויק ואמין מה- HC-SR04
• זה זול - 15 עד 20 דולר

בנוסף, אני מקווה שתמצא חלקים בקוד הארדואינו שכתבתי לצורך ההשוואה שימושי בפרויקטים שלך, אפילו מעבר ליישומים לאיתור טווחים.

הנחות:

• אתה מכיר את Arduino ואת ה- IDE של Arduino
• ה- Arduino IDE מותקן ועובד על מכונת הפיתוח המועדפת עליך (PC/Mac/Linux)
• יש לך חיבור מה- Arduino IDE ל- Arduino שלך להעלות ולהריץ תוכניות ולתקשר

ישנם הוראות ומשאבים אחרים שיעזרו לך בכך במידת הצורך.

אספקה

• מאתר טווח HC-SR04 'באג-עין'
• LV-MaxSonar-EZ (0, 1, 2, 3, 4-אני משתמש ב- '1', אבל כל הגרסאות מתממשקות זהה)
• ארדואינו UNO
• לוח לחם ללא הלחמה
• כותרת סיכה - 7 פינים 90 ° (למכשיר MaxSonar, ראה * להלן לשימוש ב- 180 °)
• מגשר כבל סרט - 5 חוטים, זכר -זכר
• מגשר כבל סרט - 2 חוטים, זכר -זכר
• חוט מגשר - זכר -זכר
• חוט חיבור - אדום ושחור (להפעלה מארדואינו ללוח ולחם למכשירים)
• מחשב עם Arduino IDE וכבל USB לחיבור ל- Arduino UNO

* MaxSonar אינו מגיע עם כותרת מצורפת, כך שתוכל להשתמש בכותרת המתאימה ביותר לפרויקט שלך. עבור מדריך זה השתמשתי בכותרת של 90 ° כדי להקל על החיבור ללוח הלחם. בפרויקטים מסוימים כותרת של 180 ° (ישר) עשויה להיות טובה יותר. אני מצרף תמונה כדי להראות כיצד לחבר זאת כך שלא תצטרך להחליף אותם. אם אתה מעדיף להשתמש בכותרת של 180 °, תזדקק למגשר כבל סרט זכר-נקבה נוסף בעל 7 חוטים כדי להתחבר כפי שמופיע בתמונה שלי.

מאגר Git Hub: קבצי פרויקטים

שלב 1: המרדף…

לפני שנכנס לפרטים על איך לחבר דברים כדי שתוכל להתנסות בעצמך בשני המכשירים הפנטסטיים האלה, רציתי לתאר כמה דברים שאני מקווה שהמדריך הזה יעזור לך בהם.

מכיוון שמכשיר MaxSonar פחות בשימוש ופחות מובן בהשוואה למכשיר HC-SR04, רציתי להראות:

• כיצד לחבר את מכשיר MaxSonar לבקר מיקרו (במקרה זה Arduino)
• כיצד לבצע מדידות מהיציאות השונות של מכשיר MaxSonar
• השווה את הממשק בין מכשיר MaxSonar למכשיר HC-SR04
• בדוק את היכולת למדוד מרחק של אובייקטים עם משטחים שונים
• מדוע אתה יכול לבחור מכשיר אחד על פני השני (או להשתמש בשניהם במקביל)

אני מקווה שהמדריך הזה עוזר לך במרדף הזה …

שלב 2: תחילת העבודה - הגדרת Arduino -Breadboard

אם עשית אבות טיפוס עם Arduino כנראה שכבר יש לך התקנה של Arduino-Breadboard שנוחה לך איתה. אם כן, אני בטוח שאתה יכול להשתמש בו למדריך זה. אם לא, כך הגדרתי את שלי - אתה מוזמן להעתיק אותו לפרויקטים אלה ולפרויקטים עתידיים.

1. אני מחבר את UNO של Arduino ולוח אלחוט קטן לחתיכת פלסטיק בגודל 3-3/8 "x 4-3/4" (8.6 x 12.0 ס"מ) עם רגלי גומי בתחתית.
2. אני משתמש בחוט חיבור אדום ושחור 22-AWG לחיבור +5V ו- GND מהארדואינו לרצועת חלוקת החשמל של הלוח.
3. אני כולל קבל טנטלום בגודל 10µF בפס ההפצה של הקרקע-כוח כדי לסייע בהפחתת רעשי הספק (אך הפרויקט הזה אינו דורש זאת)

זה מספק פלטפורמה נחמדה שקל ליצור לה אב טיפוס.

שלב 3: חיבור ה- LV-MaxSonar-EZ

עם כותרת של 90 ° מולחם על מכשיר MaxSonar קל לחבר אותו ללוח הלחם. כבל הסרט 5 פינים מחבר את MaxSonar ל- Arduino כפי שניתן לראות בתרשים. בנוסף לכבל הסרט אני משתמש בחתיכות קצרות של חוט חיבור אדום ושחור ממעקה חלוקת החשמל כדי לספק כוח למכשיר.

תִיוּל:

MaxSonar	ארדואינו	צֶבַע
1 (BW)	כוח-GND	צהוב
2 (PW)	דיגיטלי -5	ירוק
3 (AN)	אנלוגי -0	כָּחוֹל
4 (RX)	דיגיטלי -3	סָגוֹל
5 (TX)	דיגיטלי -2	אפור
6 (+5)	+5 מסילת BB-PWR	אָדוֹם
7 (GND)	מסילת GND BB-PWR	שָׁחוֹר

הערה:

אל תתנו למספר החיבורים המשמשים במדריך זה למנוע ממכם לשקול את MaxSonar לפרויקט שלכם. הוראה זו משתמשת בכל אפשרויות הממשק של MaxSonar כדי להמחיש כיצד הן פועלות ולהשוות אותן זו לזו ולהתקן HC-SR04. לשימוש נתון (באמצעות אחת מאפשרויות הממשק) פרויקט ישתמש בדרך כלל באחד או שניים מסיכות הממשק (בתוספת חשמל וקרקע).

שלב 4: חיבור ה- HC-SR04

HC-SR04 מגיע בדרך כלל עם כותרת של 90 ° שכבר מחוברת, כך שקל לחבר אותו ללוח הלחם. כבל הסרט עם 2 פינים מחבר את ה- HC-SR04 לארדואינו כפי שניתן לראות בתרשים. בנוסף לכבל הסרט אני משתמש בחתיכות קצרות של חוט חיבור אדום ושחור ממעקה חלוקת החשמל כדי לספק כוח למכשיר.

HC-SR04	ארדואינו	צֶבַע
1 (VCC)	+5 מסילת BB-PWR	אָדוֹם
2 (TRIG)	דיגיטלי -6	צהוב
3 (ECHO)	דיגיטלי -7	תפוז
4 (GND)	מסילת GND BB-PWR	שָׁחוֹר

שלב 5: חיבר את בורר האפשרויות 'HC-SR04'

כשהתחלתי את הפרויקט הזה הכוונה שלי הייתה פשוט לבדוק את אפשרויות הממשק השונות של מכשיר MaxSonar. לאחר שהתחלתי את זה, החלטתי שיהיה נחמד להשוות את זה למכשיר HC-SR04 (bugeye) בכל מקום. עם זאת, רציתי להיות מסוגל להריץ/לבדוק בלי שהוא כלול, אז הוספתי אופציה/בדיקה בקוד.

הקוד בודק סיכת קלט כדי לראות אם יש לכלול את התקן HC-SR04 בקריאת המדידה והפלט.

בתרשים, זה מוצג כמתג, אך בלוח הלחם אני פשוט משתמש בחוט מגשר (כפי שניתן לראות בתמונות). אם החוט מחובר ל- GND HC-SR04 ייכלל במדידות. הקוד 'מושך למעלה' (הופך את הקלט גבוה/נכון) בארדואינו, כך שאם הוא לא יימשך נמוך (מחובר ל- GND) HC-SR04 לא יימדד.

למרות שהוראה זו השתנתה להשוואה בין שני המכשירים, החלטתי להשאיר זאת במקום כדי להמחיש כיצד תוכל לכלול/לא לכלול מכשירים/אפשרויות שונות בפרויקט שלך.

לוח לחם	ארדואינו	צֶבַע
מסילת GND BB-PWR	דיגיטלי -12	לבן

שלב 6: לגרום לזה לעבוד …

עכשיו כשהכל מחובר - הגיע הזמן לגרום לדברים לעבוד!

כפי שצוין ב'הנחות ' - אני לא מתכוון להסביר כיצד עובד ה- Arduino IDE או כיצד לתכנת Arduino (בפירוט).

הסעיפים הבאים מפרקים את קוד הארדואינו הכלול בפרויקט זה.

אנא פרק את הארכיון המלא למיקום שבו אתה משתמש לפיתוח Arduino שלך. טען את הקוד `MaxSonar-outputs.ino` לתוך Arduino IDE שלך ונתחיל!

שלב 7: פריסת הפרויקט

הפרויקט מכיל מידע על מכשיר LV-MaxSonar-EZ, תרשים המעגלים, README וקוד ה- Arduino. תרשים המעגלים בפורמט Fritzing וכן בתמונת PNG. ה- README הוא בפורמט Markdown.

שלב 8: הכנסת קוד …

במדריך זה אינני יכול לעבור על כל היבט של הקוד. אני מכסה כמה מהפרטים ברמה גבוהה. אני ממליץ לך לקרוא את ההערה ברמה העליונה בקוד ולהתעמק בשיטות.

ההערות מספקות מידע רב שלא אחזור כאן.

יש כמה דברים שאני רוצה לציין בקוד 'ההתקנה' …

• '_DEBUG_OUTPUT' - משתנים ו- #define משפטים
• הגדרות ה"סיכות "של Arduino המשמשות את הממשק
• הגדרות של גורמי ההמרה המשמשים בחישובים

איתור באגים משמש לאורך כל הקוד, ואני אראה כיצד ניתן להפעיל/לכבות אותו באופן דינמי.

'ההגדרות' משמשות לסיכות והמרות של Arduino כדי להקל על השימוש בקוד זה בפרויקטים אחרים.

איתור באגים…

הקטע 'איתור באגים' מגדיר משתנה וכמה פקודות מאקרו המקלות על הכללת נתוני באגים בפלט הטורי לפי דרישה.

המשתנה הבוליאני '_DEBUG_OUTPUT' מוגדר כ- false בקוד (יכול להיות מוגדר כ- true) ומשמש כמבחן במאקרו 'DB_PRINT …'. ניתן לשנות אותו באופן דינמי בקוד (כפי שניתן לראות בשיטת `setDebugOutputMode`).

גלובלים…

לאחר ההגדרות, הקוד יוצר ומאתחל כמה משתנים ואובייקטים גלובליים.

• SoftwareSerial (ראה סעיף הבא)
• _loopCount - משמש להוצאת כותרת בכל 'n' שורות
• _inputBuffer - משמש לאיסוף קלט סידורי/מסוף לעיבוד אפשרויות (ניפוי/כיבוי באגים)

שלב 9: תוכנה סידורי של Arduino …

אחת מאפשרויות הממשק של MaxSonar היא זרם נתונים סדרתי. עם זאת, ה- UNO של Arduino מספק רק חיבור נתונים סידורי יחיד, והוא משמש/משותף עם יציאת ה- USB כדי לתקשר עם ה- Arduino IDE (מחשב מארח).

למרבה המזל, יש רכיב ספרייה הכלול ב- Arduino IDE שמשתמש בצמד סיכות I-O דיגיטליות של Arduino כדי ליישם ממשק i/o סידורי. מכיוון שהממשק הטורי של MaxSonar משתמש ב- 9600 BAUD, ממשק ה'תוכנה 'הזה מסוגל לטפל בתקשורת בצורה מושלמת.

לאלה שמשתמשים ב- Arduino-Mega (או בהתקן אחר שיש לו מספר יציאות טוריות של HW) אל תהסס להתאים את הקוד כדי להשתמש ביציאה טורית פיזית ולמנוע את הצורך ב- SW-Serial.

שיטת 'ההתקנה' מאתחלת את ממשק 'SoftwareSerial' לשימוש עם התקן MaxSonar. יש צורך רק בקבלה (RX). הממשק 'הפוך' כך שיתאים לתפוקת ה- MaxSonar.

שלב 10: קוד - הגדרה

כפי שתואר לעיל, שיטת 'ההתקנה' מאתחלת את הממשק 'SoftwareSerial', כמו גם את הממשק הטורי הפיזי. הוא מגדיר את סיכות הקלט/פלט של Arduino ושולח כותרת.

שלב 11: קוד - לולאה

קוד 'לולאה' פועל באמצעות הדברים הבאים:

• פלט כותרת (משמשת לניפוי באגים והפלוטר)
• הפעילו את MaxSonar לביצוע מדידה
• קרא את ערך MaxSonar Pulse-Width
• קרא את הערך MaxSonar-Data Serial
• קרא את הערך MaxSonar Analog

• בדוק את האפשרות 'HC-SR04', ואם מופעל:

  הפעילו וקראו את מכשיר HC-SR04

• פלט את הנתונים בפורמט מופרד בכרטיסייה שיכול לשמש את הקושר הסידורי
• המתן עד שיחלוף מספיק זמן כדי שניתן יהיה לבצע מדידה נוספת

שלב 12: קוד - הפעל את MaxSonar. קרא ערך PW

ל- MaxSonar שני מצבים: 'מופעל' ו'רציף '

הוראה זו משתמשת במצב 'מופעל', אך פרויקטים רבים יכולים להרוויח משימוש במצב 'רציף' (ראה גליון הנתונים).

בעת שימוש במצב 'מופעל', הפלט החוקי הראשון הוא מפלט רוחב הדופק (PW). לאחר מכן, שאר הפלטים תקפים.

'TiggerAndReadDistanceFromPulse' פועם את סיכת ההדק במכשיר MaxSonar וקורא את ערך מרחק רוחב הדופק המתקבל

שים לב שבניגוד למכשירי סונאר רבים אחרים, ה- MaxSonar מטפל בהמרה הלוך ושוב, ולכן המרחק הנקרא הוא המרחק ליעד.

שיטה זו גם מתעכבת מספיק זמן כדי ששאר הפלטים של המכשיר יהיו תקפים (סדרתי, אנלוגי).

שלב 13: קוד - קרא את הערך הסידורי של MaxSonar

לאחר הפעלת MaxSonar (או כאשר הוא במצב 'רציף'), אם אפשרות הפלט הטורי מופעלת (באמצעות הפקד 'BW - Pin -1') נשלח זרם נתונים סדרתי בצורה "R nnn", ואחריו על ידי CARRIAGE-RETURN '\ r'. ה- 'nnn' הוא ערך האינצ'ים לאובייקט.

שיטת 'readDistanceFromSerial' קוראת את הנתונים הטוריים (מהיציאה הטורית של התוכנה) וממירה את ערך 'nnn' לעשרוני. הוא כולל פסק זמן כשל בטוח, למקרה שלא יתקבל ערך סידורי.

שלב 14: קוד - קרא את הערך האנלוגי של MaxSonar

יציאת האנלוגיה של MaxSonar מספקת ברציפות מתח יציאה ביחס למרחק האחרון שנמדד. ניתן לקרוא ערך זה בכל עת לאחר אתחול ההתקן. הערך מתעדכן תוך 50 מס 'מהקריאה האחרונה למרחקים (מצב מופעל או רציף).

הערך הוא (Vcc/512) לאינץ '. אז, עם Vcc מה- Arduino של 5 וולט, הערך יהיה ~ 9.8mV/in. שיטת 'readDistanceFromAnalog' קוראת את הערך מהקלט האנלוגי של Arduino וממירה אותו לערך 'אינץ'.

שלב 15: קוד - הפעל וקרא את HC -SR04

למרות שישנן ספריות לקרוא את HC-SR04, גיליתי שחלקן אינן אמינות עם מכשירים שונים שבדקתי איתם. מצאתי שהקוד שכללתי בשיטת 'sr04ReadDistance' הוא פשוט ואמין יותר (ככל שיכול להיות מכשיר ה- HC-SR04 הזול).

שיטה זו קובעת ולאחר מכן מפעילה את מכשיר HC-SR04 ולאחר מכן ממתינה למדוד את רוחב דופק ההחזרה. מדידת רוחב הדופק כוללת פסק זמן להתמודדות עם הבעיה HC-SR04 של משך דופק ארוך מאוד כאשר הוא אינו מצליח למצוא יעד. משוער שרוחב הדופק ארוך ממרחק המטרה של ~ 10 רגל אינו אובייקט או אובייקט שאינו ניתן לזיהוי. אם תגיע פסק הזמן ערך '0' מוחזר כמרחק. ניתן להתאים את 'המרחק' הזה (רוחב הדופק) באמצעות ערכי #define.

רוחב הדופק מומר למרחק הלוך ושוב לפני החזרתו כמרחק לאובייקט.

שלב 16: קוד - תמיכה ב- Arduino IDE Plotter Serial

עכשיו לפלט!

שיטת ה'לולאה 'מעוררת את איסוף מדידת המרחק משני המכשירים - אך מה עושים עם זה?

ובכן, כמובן, אנו נשלח אותו כך שניתן יהיה לצפות בו בקונסולה - אך אנו רוצים עוד!

ה- Arduino IDE מספק גם את ממשק ה- Plotter Serial. נשתמש בזה כדי לספק גרף בזמן אמת של המרחק לאובייקט שלנו מהתפוקות של שני המכשירים שלנו.

ה- Plotter Serial מקבל כותרת המכילה תוויות ערך ולאחר מכן שורות מרובות של ערכים מופרדים כדי להתוות כתרשים. אם הערכים יוצאים באופן קבוע (אחת ל"כל כך הרבה שניות ") הגרף מספק הדמיה של המרחק לאובייקט לאורך זמן.

שיטת ה'לולאה 'מוציאה את שלושת הערכים מה- MaxSonar ואת הערך מה- HC-SR04 בפורמט המופרד בכרטיסייה שניתן להשתמש בו עם ה- Plotter הסידורי. אחת ל -20 שורות הוא פולט את הכותרת (למקרה שהפלוטר הסידורי מופעל באמצע הזרם).

זה מאפשר לך כל כך לדמיין את המרחק למכשול וגם לראות את ההבדל בערכים שהוחזרו על ידי שני המכשירים.

שלב 17: קוד - איתור באגים …

איתור באגים הוא הכרח. איך אתה יכול לאתר בעיה כאשר משהו לא עובד כצפוי?

קו הבנה ראשון הוא לעתים כמה פלט טקסט 'פשוט' שיכול להצביע על המתרחש. ניתן להוסיף אותם לקוד מתי והיכן שצריך כדי לאתר בעיה ולאחר מכן להסיר אותם לאחר שהבעיה נפתרה. עם זאת, הוספה והסרה של הקוד גוזלת זמן רב, כשלעצמו עלולה להוביל לבעיות אחרות. לפעמים עדיף להיות מסוגל להפעיל ולבטל אותו באופן דינמי תוך השארת קוד המקור לבד.

במדריך זה כללתי מנגנון לאפשר ולהשבית הצהרות הדפסה (פלט סדרתי) באופן דינמי מתוך קלט שנקרא מהצג הטורי של Arduino IDE (במהדורה הקרובה, הקושר הסידורי צפוי לספק גם קלט זה).

ה בוליאני '_DEBUG_OUTPUT' משמש במספר שיטות הדפסה #define שניתן להשתמש בהן בתוך הקוד. הערך של המשתנה _DEBUG_OUTPUT משמש לאפשר הדפסה (שליחת פלט) או לא. ניתן לשנות את הערך באופן דינמי בתוך הקוד, כפי שעושה שיטת `setDebugOutputMode`.

שיטת `setDebugOutputMode` נקראת מתוך הלולאה על סמך קלט שהתקבל מהקלט הטורי. הקלט מנותח כדי לראות אם הוא תואם את "איתור באגים/כיבוי | נכון/לא נכון" כדי להפעיל/להשבית את מצב איתור באגים.

שלב 18: סיכום

אני מקווה שהגדרת החומרה הפשוטה הזו והקוד לדוגמא יכולים לעזור לך להבין את ההבדלים בין מכשירי HC-SR04 למכשירי LV-MaxSonar-EZ. שניהם קלים מאוד לשימוש, ואני מאמין שלכל אחד מהם יש יתרונות. הידיעה מתי להשתמש באחד ולא באחר יכולה להועיל לפרויקט מוצלח.

BTW-רמזתי על דרך קלה מאוד לשימוש למדידה מדויקת של המרחק לאובייקט באמצעות LV-MaxSonar-EZ … אתה יכול להשתמש ביציאה האנלוגית (חוט אחד) ובמצב המדידה הרציפה כדי לקרוא מרחק בעת הצורך באמצעות הפשוט קוד ב- 'readDistanceFromAnalog' ישירות מהקלט האנלוגי של Arduino. חוט אחד ושורה קוד אחת (מרוכזת)!

שלב 19: חיבור MaxSonar חלופי (באמצעות כותרת 180 °)

כפי שציינתי, MaxSonar אינו מגיע עם כותרת מחוברת. אז אתה יכול להשתמש בכל החיבור המתאים ביותר לפרויקט שלך. במקרים מסוימים כותרת של 180 ° (ישר) עשויה להיות מתאימה יותר. אם זה המצב, רציתי להראות במהירות כיצד אתה יכול להשתמש בזה עם הוראה זו. אי אילוסטרציה זו מציגה MaxSonar עם כותרת ישרה המחוברת ללוח הלחם באמצעות כבל סרט זכר-נקבה, ולאחר מכן מחוברת ל- Arduino כפי שמתואר בהמשך המאמר.

שלב 20: קוד ארדואינו

קוד הארדואינו נמצא בתיקייה 'יציאות MaxSonar' של הפרויקט בהשוואת טווח Finder Sonar