Projekt: Dalmierz Sharp z linijk diodow RGB

Projekt: Dalmierz Sharp z linijk diodow RGB Rafal Gierczak 16 czerwca 2009 Spis tre±ci 1 Wst p - Sk d pomysª 2 2 Opis problemu - pomysª na realizacj projektu 2 3 Elektronika 2 3.1 Dalmierz Sharp - serce ukªadu............................... 2 3.2 Mikroprocesor........................................ 3 3.3 Pªyta gªówna........................................ 3 3.4 Moduª z diodami...................................... 5 3.5 Zasilanie........................................... 6 4 Program 6 4.1 Procedura zapalania oraz gaszenia poszczególnyc diod................. 6 4.1.1 Denicje....................................... 6 4.1.2 Przykªadowy fragment kodu............................ 7 4.2 Odczyt stanu czujnika................................... 7 5 Obudowa 7 6 Opis najwa»niejszych funkcjonalno±ci urz dzenia 9 7 Parametry urz dzenia 9 8 Opis protokoªu komunikacji 9 9 Przykªady uzyskiwanych efektów pracy urz dzenia 9 10 Wnioski i podsumowanie 10 Spis rysunków 1 Wykres cz stotliwo±ci pomiarów.............................. 3 2 Schemat elektroniczny pªyty gªównej........................... 4 3 Gotowa pªyta gªówna.................................... 4 4 Schemat elektroniczny pojedy«czej pªytki z diodami RGB............... 5 5 Gotowy segment pod dwie diody RGB.......................... 5 6 Rysunek wierzchniej obudowy............................... 8 7 Rysunek spodniej obudowy................................ 8 8 Rysunek tyªu obudowy................................... 8 9 Przykªad wskazania ekranu LCD............................. 9 Numer indexu: 148496, IV rok ARR, seminarium w ±rod parzyst o godz.15 15 1

1 Wst p - Sk d pomysª Dalmierze Sharp, w szczególno±ci modele z wyj±ciem analogowym, pozwalaj do± precyzyjnie okre- ±li odlegªo± od przeszkody. Powstaªo wiele modeli pracuj cych na ró»ne dystanse, s proste w u»yciu, maªe oraz zu»ywaj maªo energii, to powody, dla których te niezwykle przydatne urz dzenia robi karier w przemy±le, a w szczególno±ci w robotyce. Prakycznie ka»dy student, który próbowaª swoich siª buduj c robota (np. minisumo) otarª si o temat dalmierzy dziaªaj cych w pa±mie podczerwieni, niejeden próbowaª wykorzysta mo»liwo- ±ci jakie daje ocena odlegªo±ci od przeciwnika/przeszkody, jednak maªo kto rozwa»aª przydatno± oceny pr dko±ci z jak przemieszcza si obiekt w polu widzenia czujnika, a jest to bardzo przydatna informacja, a wr cz niezb dna w profesjonalnym podej±ciu do tematu planowania ruchu robota oraz analizy otoczenia. Urz dzenie b d ce przedmiotem niniejszego projektu, ma na celu prezentacj mo»liwo±ci dalmierza Sharp, czyli pokazanie mo»liwie du»ej ilo±ci informacji wyci gnietych z pomiaru przemieszczaj cego si obiektu i ukazanie ich w mo»liwie przyst pnej formie. 2 Opis problemu - pomysª na realizacj projektu Najwa»niejszym celem projektu byªo efektowne zademonstrowanie pracy dalmierza. Jednym z automatycznie nasuwaj cych si rozwi za«jest zastosowanie dªugiej ±wiec cej linijki prezentuj cej aktualny odczyt czujnika. Wst pnie pr dko± miaªa by symbolicznie przedstawiona zmian jasno- ±ci diod, jednak ze wzgl du na sªab czytelno± tego rozwi zania potwierdzon eksperymentem, ostateczna wersja projektu wyposa»ona jest w rz d diod RGB zapalaj cych si na ró»ne kolory zale»nie od pr dko±ci (nale»y pami ta i» dioda RGB mo»e poza podstawowymi barwami przyj tak»e kolor zªo»ony z dwóch - np. oletowy z czerwonego i niebieskiego). Ostatecznie urz dzenie zostaªo wyposa»one w linijk diodow o dªugo±ci 70cm (24 diody w odst pach 3cm). Kolejn trudno±ci rozwi zan w trakcie prac nad projektem byªa niewystarczaj ca ilo± portów procesora mog cych sterowa tak du» ilo±ci diod (ka»da zawiera trzy oddzielne kolory). Dokªadne omówienie tego tematu znajduje si w podrozdziale 3.4 (opis od strony elektronicznej) oraz 4.1 (opis od strony programu). Ostatnim problemem okazaªo si wªa±ciwe odczytywanie sygnaªu dalmierza, tak aby nie przegapi ani jednego pomiaru. W tym celu nieodzowny okazaª si timer0 oraz przerwanie od ko«ca konwersji ADC, szczegóªy w rozdziale 4.2. 3 Elektronika 3.1 Dalmierz Sharp - serce ukªadu Najwa»niejsz cz ±ci urz dzenia jest dalmierz Sharp GP2Y0A02YK, czujnik ten o zasi gu 150cm, jest w stanie z do± du» dokªadno±ci okre±li odlegªo± od obserwowanego obiektu. Wst pnie w projekcie miaª by u»yty Sharp GP2D12 o maksymalnym zasi gu 80cm, jednak w trakcie testów okazaªo si,»e wykres napi cia wyj±ciowego w funkcji odlegªo±ci, jest bardzo sªabo nachylony powy-»ej poªowy maksymalnego zasi gu, znacznie zmniejszaj c precyzj pomiaru. Rozwi zaniem okazaªo si zastosowanie czujnika o dwa razy wi kszym zasi gu (przebieg charakterystyki podobny, jednak w tym wypadku interesuje nas tylko jej pierwsza poªowo - linijka diodowa ma dªugo± tylko 70cm). Czy dziaªa wystarczaj co szybko? Szybko± z jak dalmierz dokonuje pomiarów jest kwesti kluczow dla skutecznego i efektownego pomiaru pr dko±ci, odpowiedzi na powy»sze pytanie mo»na szuka w nocie katalogowej dalmierza (Rysunek 3.1) 2

Rysunek 1: Wykres cz stotliwo±ci pomiarów Jak wida pomiar trwa okoªo 38ms, zatem w ci gu sekundy zostanie wykonane okoªo 25 pomiarów. Je±li zaªo»ymy,»e chcieliby±my aby podczas pomiaru ruchu zd»yªy zapala si wszystkie kolejne diody umieszczone w odst pach 3cm, to przyjmuj c maksymalnie optymistyczny scenariusz zakªadaj cy odpowiednio cz ste odczyty stanu czujnika oraz aktualizacje stanu diod, maksymalna pr dko± wynosi 0.75 m. Powy»ej tej pr dko±ci, a» do s 1.5 m s, zapala si b dzie co druga dioda itd. Jak Pokazuj powy»sze obliczenia, cz stotliwo± pomiaru dalmierza powinna w zupeªno±ci wystarczy na potrzeby projektu, w którym linijka diodowa o dªugo±ci okoªo 70cm nie pozwoli si zbytnio rozp dzi podczas pomiaru. 3.2 Mikroprocesor Jako jednostk centraln ukªadu przyj to mikroprocesor ATmega32. Wybór ten uzasadniony jest niskim kosztem, prostot obsªugi oraz obecno±ci wszystkich funkcji koniecznych do wªa±ciwego dziaªania projektu (Odpowiednia ilo± portów IO, Timery, przetwornik ADC, UART). 3.3 Pªyta gªówna Rysunek 3.3 przedstawia schemat elektroniczny pªyty gªównej urz dzenia. procesorem, znajduj si na niej nast puj ce elementy: Wy±wietlacz LCD (2x16znaków) U2 - Ukªad MAX232 - Obsªuga portu RS232 Poza wspomnianym U3 - Ukªad 74HC154, dekoder 4 na 16 linii, pozwala wybra który z dwunastu moduªów diod ma zmieni swój stan, wykorzystuj c tylko 4 nó»ki procesora U5, U6, U7 - Inwertery niezb dne do wyboru wªa±ciwego zatrzasku - latch enable w stanie wysokim powoduje,»e dany zatrzask przyjmuje nowe dane, projekt musiaª zosta tak stworzony aby w tym samym czasie tylko jeden zatrzask byª otwarty ISP - Gniazdo sªu» ce do programowania P1 - Potencjometr, sªu» cy do ew. korekcji wybranych parametrów urz dzenia MODE - Przycisk, do zmiany trybów pracy RESET - Przycisk do resetowania Rysunek 3.3 ukazuje pªyt gªówn tu» przed przylutowaniem elementów. 3

Rysunek 2: Schemat elektroniczny pªyty gªównej Rysunek 3: Gotowa pªyta gªówna 4

3.4 Moduª z diodami Projekt zakªada podziaª linijki diodowej na 12 grup po dwie, przy czym ka»da grupa znajduje si na osobnym module. Na ko«cu ka»dego moduªu mo»e zosta przyª czone nast pny, dzi ki czemu unikamy stosowania du»ej ilo±ci kabli. Ka»dy moduª jest wyposa»ony w 8 bitowy zastrzask 74HC573 (z czego wykorzystane 6 bitów dla zapami tania stanu obu diod) oraz posiada osobn lini latch enable, która b d c w stanie wysokim decyduje o tym,»e zatrzask danego moduªu ma zosta otwarty w celu zapami tania stanu dwóch diod. Jedyna ró»nica pomi dzy kolejnymi moduªami polega na tym, która z 12 linii LE jest podª czona do nó»ki latch enable zatrzasku. Rysunek 3.4 prezentuje schemat elektroniczny moduªo, natomiast rysunek 3.4 jeden z ju» gotowych moduªów. Rysunek 4: Schemat elektroniczny pojedy«czej pªytki z diodami RGB Rysunek 5: Gotowy segment pod dwie diody RGB 5

3.5 Zasilanie Urz dzenie dysponuje wªasn, wbudowan przetwornic 230VAC/5VDC o maksymalnym obci»eniu 1A, umieszczon na spodzie obudowy, pod pªyt gªówn. W tylnej ±ciance urz dzenia znajduje si pod±wietlany wª cznik, gniazdo IEC (zasilanie) oraz szuadka na bezpiecznik. 4 Program 4.1 Procedura zapalania oraz gaszenia poszczególnyc diod Po dobraniu wszystkich potrzebnych elementów peryferialnych oraz przenaczeniu portów A i C mikroprocesora odpowiednio na wej±cie przetwornika ADC oraz ekran LCD, okazaªo si, i» do sterowania dwudziestoma czterema, trójkolorowymi diodami pozostaje jedynie 11 portów. Rozwi - zanie tego problemu okazaªo si stosunkowo proste: 6 linii oznacza stany wszystkich kolorów dwóch diod znajduj cych si na jednym z 12 moduªów, natomiast pozostaªe 4 linie sªu» do sterowania dekoderem 4 na 16. Dekoder zamienia liczb binarn zakodowan przy pomocy 4 bitów na stan niski jednego ze swoich 16 portów wy±ciowych b d cego jednocze±nie adresem jednego z kolejnych moduªów z diodami, ostatnia linia to output enable ustawiaj cy wszystkie wyj±cia dekodera w stan wysoki pozwalaj c unikn przypadkowego wybrania niepo» danego moduªu. 4.1.1 Denicje W celu uªatwienia przyszªych modykacji programu, na jego wst pie zostaªy ustanowione nast puj ce denicje: #define A PORTB. 0 #define B PORTB. 1 #define C PORTB. 2 // l i n i e adresowe dekodera #define D PORTB. 3 // wybieraj cego aktywny moduª diod #define OE PORTB. 4 // Output Enable dekodera #define MAX_LEDS 24 // maksymlna i l o ± diod #define ACTUAL_LEDS 14 // i l o ± a k t u a l n i e podª czonych diod #define MINIMAL_RANGE 13 // minimalny z a s i g c z u j n i k a #define BUTTON PINC. 3 // stan wysoki g u z i k n a c i ± n i t y oraz makra: #define led1_ red ( ) PORTD. 5 = 0 ; PORTD. 6 = 1 ; PORTD. 7 = 1 ; #define led1_green ( ) PORTD. 5 = 1 ; PORTD. 6 = 1 ; PORTD. 7 = 0 ; #define led1_blue ( ) PORTD. 5 = 1 ; PORTD. 6 = 0 ; PORTD. 7 = 1 ; #define led1_violet ( ) PORTD. 5 = 0 ; PORTD. 6 = 0 ; PORTD. 7 = 1 ; #define led1_ white ( ) PORTD. 5 = 0 ; PORTD. 6 = 0 ; PORTD. 7 = 0 ; #define led1_off ( ) PORTD. 5 = 1 ; PORTD. 6 = 1 ; PORTD. 7 = 1 ; #define led2_ red ( ) PORTD. 2 = 0 ; PORTD. 3 = 1 ; PORTD. 4 = 1 ; #define led2_green ( ) PORTD. 2 = 1 ; PORTD. 3 = 0 ; PORTD. 4 = 1 ; #define led2_blue ( ) PORTD. 2 = 1 ; PORTD. 3 = 1 ; PORTD. 4 = 0 ; #define led2_violet ( ) PORTD. 2 = 0 ; PORTD. 3 = 1 ; PORTD. 4 = 0 ; #define led2_ white ( ) PORTD. 2 = 0 ; PORTD. 3 = 0 ; PORTD. 4 = 0 ; #define led2_off ( ) PORTD. 2 = 1 ; PORTD. 3 = 1 ; PORTD. 4 = 1 ; Wywoªanie jednego z wy»ej wymienionych makr, spowoduje ustawienie si linii, odpowiedzialnych za sterowanie pierwsz lub druga diod, aktualnie wybranego moduªu odpowiednio dla danego koloru. 6

4.1.2 Przykªadowy fragment kodu Przykªadowy fragment kodu maj cy na celu zapalenie 5. diody na niebiesko: void SetSegment ( int n) // funkcja uaktywniajaca n ty moduª { OE = 1 ; // zablokowanie wyj±cia dekodera i f (n!=0) { n = 1 ; A = n % 2 ; // ustawienie k o l e j n y c h bitów adresu n = (n A) / 2 ; B = n % 2 ; n = (n B) / 2 ; C = n % 2 ; n = (n C) / 2 ; D = n % 2 ; OE = 0 ; // Odblokowanie wyj±cia dekodera } // j e ± l i n == 0, wyj±cia maj pozostac zablokowane } int main ( ) // program gªówny, z a p a l a j a c y diode nr 5 na n i e b i e s k o { SetSegment ( 3 ) ; // wybór t r z e c i e g o segmentu led1_blue ( ) ; // z a p a l e n i e p i e r w s z e j diody na n i e b i e s k o } 4.2 Odczyt stanu czujnika Sharp dokonuje pomiaru okoªo 25 razy na sekund, nie jest to wiele dlatego bardzo wa»ne jest aby nie pomin ani jednego pomiaru. Jednocze±nie nie ka»da konwersja ADC daje caªkiem prawidªowy wynik. Konieczne okazaªo si zastosowanie chocia»by prostej ltracji. W projekcie zastosowana zostaªa nast puj ca metoda; timer0 mo»liwie rzadko wywoªuje przerwanie, w wypadku procesora ATmega32 jest to cz stotliwo± okoªo 61kHZ (15625kHz / 255). Ka»de wywoªanie przerwania inicjuje konwersj ADC (o ile nie jest ona aktualnie w trakcie) oraz sprawdza czy w buforze zebraªo si ju» 100 pomiarów. Gdy konwersja zako«czy si, wywoªywane jest przerwanie, w którym wynik konwersji dodawany jest do bufora adc_data. Kiedy zbierze si ju» 100 pomiarów, nast puje ich u±rednienie, odejmowane s najwi ksze oraz najmniejsze wyniki, a z reszty zostaje wyliczona ±rednia, która ostatecznie traktowana jest jako prawidªowy wynik. Nast pnie odpowiednia funkcj przelicza wynik konwersji na dystans w cm, który zostaje umieszczone w kolejnym buforze location dziaªaj cym na zasadzie dziesi cio elementowej kolejki LIFO oraz zostaje wy±wietlony na ekranie LCD jako aktualna odlegªo±. Nast pnie zostaj zsumowane ró»nice pomi dzy wszystkimi 10 elementami bufora location, suma to odlegªo± przebyta w ci gu dziesi ciokrotnego zebrania 100 pomiarów ADC. Po podzieleniu tej warto±ci przez czas, otrzymujemy chwilow pr dko±. 5 Obudowa Obudowa urz dzenia zostaªa wykonana na zamówienie z bezbarwnego pleksi o grubo±ci 4mm ci tego za pomoc lasera. Rysunki 6, 7, 8 prezentuj elementy obudowy. 7

Rysunek 6: Rysunek wierzchniej obudowy Rysunek 7: Rysunek spodniej obudowy Rysunek 8: Rysunek tyªu obudowy 8

6 Opis najwa»niejszych funkcjonalno±ci urz dzenia Najwa»niejsz, a zaraz jedyn funkcj urz dzenia jest wizualizacja sygnaªu dalmierza oraz pochodnej tego sygnaªu (pr dko±ci obiektu znajduj cego si w polu widzenia czujnika). Funkcja ta b dzie realizowana za pomoc linijki diod RGB, wy±wietlacza LCD (2x16 znaków) oraz opcjonalnie za pomoc ekranu komputera podª czonego poprzez port szeregowy. 7 Parametry urz dzenia Pomiar odlegªo±ci odbywa si z dokªadno±ci co do 1cm (bª d w granicach ±0.5cm), natomiast pomiar pr dko±ci z dokªadno±ci do 1 cm s. 8 Opis protokoªu komunikacji Komunikacja z urz dzeniem zewn trznym (np. komputer), pomimo i» nie wymagana w projekcie, jest mo»liwa za po±rednictwem znajduj cego si na pªycie portu szeregowego RS232. Dystans oraz pr dko± mog by przekazane do komputera w celach statystycznych, badawczych itp. Szczegóªy protokoªu transmisji nie zostaªy jeszcze ustalone. 9 Przykªady uzyskiwanych efektów pracy urz dzenia Podczas pracy, urz dzenie na bie» co mierzy odlegªo± od obiektu znajduj cego si w zasi gu dalmierza oraz wylicza aktualn pr dko± z jak ten obiekt si przemieszcza. Podstawow metod obrazowania wyników pomiarów jest zapalanie si kolejnych diod RGB umieszczonych w odst pach 3cm dokªadnie pod obserwowanym obiektem, kolor diod zale»y od aktualnej pr dko±ci w nast puj cy sposób: czerwony - Pr dko± 0 cm s niebieski - Pr dko± do 4 cm s oletowy - Pr dko± do 8 cm s zielony - Pr dko± do 12 cm s biaªy - Pr dko± powy»ej 12 cm s Rysunek 9 prezentuje przykªadowe wskazanie ekranu LCD podczas pracy urz dzenia. W lewym górnym rogu odczyta mo»na warto± z przetwornika ADC w skali 0-1024, gdzie 1024 odpowiada napi ciu 5V, w prawym górnym rogu znajduje si aktualna odlegªo± w cm, w lewym dolnym warto± ADC przelicona na napi cie w V, natomiast w prawym dolnym odczytamy aktualn pr dko± w cm. s Rysunek 9: Przykªad wskazania ekranu LCD 9

10 Wnioski i podsumowanie Cele postawione przed projektem zostaªy pomy±lnie zrealizowane. Sharp okazaª si czujnikiem wystarczaj cym do pomiaru pr dko±ci, jednak ±rednia precyzja pomiarów, pomimo zaawansowanego u±redniania odczytów, powoduje czasem faªszowanie wskazania pr dko±ci (Niewªa±ciwy odczyt dla urz dzenia oznacza gwaªtown zmian poªo»enia obserwowanego obiektu, a co za tym idzie - chwilowy wzrost pr dko±ci) Jak okazaªo si w praktyce, sharp nienajlepiej radzi sobie z okre±leniem du»ych pr dko±ci (przekraczaj cych 2 m s ), ze wzgl du na nisk cz stotliwo± dokonywania pomiarów. Urz dzenie zostaªo tak skonstruowane,»e do gniazda ADC mo»e zosta podª czony dowolny czujnik z wyj±ciem analogowym, jednak praca z nowym czujnikiem b dzie wymagaªa ponownej kalibracji i dostosowania, co nie powinno stanowi»adnego problemu. Dla ciekawego efektu, urz dzenie mo»na podª czy do wyj±cia audio, czyni c z niego bardzo du»y wska¹nik nat»enia d¹wi ku, mieni cy si ró»nymi kolorami wraz ze zmianami dynamiki odtwarzanej muzyki. 10