Proto Knowledge
SENSOR - ชัยวัฒน์ ลิ้มพรจิตรวิไล - Gerald Cole
SRF05 โมดูลวัดระยะทาง ดวยคลื่นความถี่เหนือเสียง นี่คือเซนเซอรรุนพิมพน ิยมที่ถูกใชงานมากที่สุดเป็นลำดับตนๆ ของ นักเลนนักพัฒนาโครงงานอิเล็กทรอนิกส โดยเฉพาะอยางยิ่งกับ Roboteer หรือผูคลั่งไคลในการสรางหุนยนต มารูจักใ หลึกอีกนิด นี่คือบทความเดียวทเี่ จาะลึกถึงวงจรของโมดูลเซนเซอรย อดนิยมตัวนี้ 72
The Prototype Electronics
SR F 0 5 เ ป น โ มดู ล ว ั ด ร ะยะทางด ว ยค ลื ่ น ค วามถี ่ เหนือเ สียงหรืออัลตราโซนิก (u ltraso nic มาจากคำวา ultra แปลวา สูงกวาหรือเหนือกวา กับ so nic แปลวา คลื่นค วามถี่ เสียง) ซึ่งไดรับการพัฒนาและผลิตโดย Daventech ประเทศ อังกฤษ (ww w.robot-electronics.co.uk)
(ก) ดานรับและสงคลื่นอัลตราโซนิก
(ข) ดานลางแสดงเบอรของโมดูล ตัวสงและตัวรับคลื่นอัลตราโซนิก
5 โมดูล SRF05 เปนแ ผงวงจรวัดตรวจจับ และวัดระยะทางดวยคลื่นอัลตราโซนิกที่มีความเ ที ่ ย งต รงส ู ง โ ดยส ามารถว ั ด ระยะไ ด ต ั ้ ง แ ต 1 เซนติเมตรไปจนถึง 4 เมตร SRF05 ไดรับการออก
ระดับความดันเสียง (dB)
ความไว (dB)
รูปที่ 1 แสดงรูปร่างของโมดูลตัวส่งแ ละตัวรับคลื่นอัลตร้าโซนิก อุปกรณหลักของโมดูล SRF05 คือ โมดูลต ัวสง และตัวรับคลื่นอัลตราโซนิกเบอร 400ST160 (ต ัวสง) และ 400SR160 (ตัวรับ) ดังแ สดงหนาตาในรูปที่ 1 โดยตัวสง จะไดรับสัญญาณความถี่ 40 kHz จากวงจรควบคุม ทำให ตัวสงทำงานและสงคลื่นความถี่ 40 kHz ซึ่งเปนคาค วามถีท่ ี่ สูงกวายานที่หูของมนุษยสามารถตอบสนองไดออกอากาศ ไป และเมื่อคลื่นเดินทางไปกระทบวัตถุหรือส ิ่งกีดขวางกจ็ ะ สะทอนกลับมายังตัวรับคลื่น หากเราทราบถึงเวลาที่คลื่น เริ่มเดินทางออกจากแหลงกำเนิดและเวลาที่ตัวรับสามารถ รั บ ค ลื ่ น ท ี ่ ส ะท อ นก ลั บ มาไ ด เ ราก ็ จ ะส ามารถค ำนวณห า รูปที่ 2 แสดงหลักการตรวจจับว ัตถุโดยใช้สัญญาณความถี่ ระยะหางของวัตถุที่คลื่นเดินทางไปสะทอนกับแหลงกำเนิด เหนือเสียงหรืออ ัลตร้าโซนิก คลื่นได เนื่องจากเราทราบอยูแลววา คลื่นเสียงเดินทางใน -50 130 อากาศด ว ยค วามเร็ ว 1 , 1 0 0 ฟ ุ ต ต อ ว ิ น าที นี ่ ค ื อ ห ลั ก การ -55 125 -60 120 พื้นฐานที่นำไปสูการประยุกตใชตัวสงและตัวรับคลื่นอัลตรา -65 115 โซนิกในการตรวจจับวัตถุและวัดระยะทางซึ่งก็คือการวัด -70 110 -75 105 ระยะหางระหวางวัตถุกับแหลงกำเนิดคลื่นนั่นเอง ในรูปที่ -80 100 2 แ สดงก ารต รวจจั บ ว ั ต ถุ โ ดยใ ช โ มดู ล ต ั ว ส ง แ ละร ั บ ค ลื ่ น -85 95 -90 90 อัลตราโซนิก 35 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 ความถี่ (kHz) อยางไรก็ตาม โมดูลตัวสงและรับคลื่นอ ัลตราโซนิก สามารถทำงานไดตั้งแตความถี่ 38 ถึง 41 kHz แตท ี่ความถี่ รูปที่ 3 กราฟแสดงลักษณะสมบัตใิ นการทำงานของโมดูลรับส่ง 40 kHz จะเปนคาความถีท่ ี่ใหร ะดับสัญญาณสูงสุด ดังแสดง คลื่นอัลตร้าโซนิก ดวยกราฟการตอบสนองความถี่ของโมดูลตัวสง คุณสมบัติทางเทคนิคข องโมดูล SRF05 และรับคลื่นอัลตราโซนิกในรูปที่ 3 แบนวิดธของ - ทำงานทรี่ ะดับไไฟเลี ฟเลี้ยง +5V โมดูลตัวสงคลื่นอัลตราโซนิกคือ 2 kH z สวนตัวรับ - ทำงานที ระแสปกติที่ 30mA มีคา 2.5 kHz แรงดันสูงสุดที่ใชใ นการขับโมดูล - กินกกระแสปกติ และสง คลื คลื่นอัอลั ตราโซนิก ใชคความถี วามถี่ 40kHz ในการทำงาน 40kHz ในการทำงาน 40kHz ใน ตัวสงคลื่นอัลตราโซนิกเทากับ 20 Vrm s มุมข อง - ใชต ัวรับและส ระยะทางในชว ง 1 เซนติเมตรถึ มตรถงึ 4 เมตร ลำคลื่นโดยรวมคือ 55 องศา ยานของอุณหภูมิ - วัดระยะทางในช ญาณพัพลั สส ำหรับกระตุ กระตุนการทำงาน ต ก ารทำงาน ตองมี งมคี วามกว วามกวางอย งอยางน งนนอ ย 10 ไมโคร ย 10 ไมโครวนิ าที - สัญญาณพั ย 10 ไมโครวิ ใชงาน -30 ถึง +80 องศเซลเซียส
ากการวั การวดั ระยะเป ระยะเปนคคา ความกว ความกวางพั งพัพลั สซ ึ่งเป เ ปนสัสดั สวนกั นกบั ระยะทางที ระยะทางท่วี ัดได ได - ใหผลลั ผ ลลัพธจ าก ก ารทำงานดว ยไมโครคอนโทรลเลอร ยไมโครคอนโทรลเลอร สามารถใช สามารถใชงานกั านกบั ไมโครคอนโทรลเลอร ไมโครคอนโทรลเลอร คอนโทรลเลอรย อดนิยม - ควบคุมการทำงานด ไดท ุกตระกู ต ระกูล ทั้งเบสิ เ บสิกแสตมป แสตมป, MCS-51, AVR, PSoC, PIC, dsPIC, ARM7 ฯลฯ ได - สามารถตดิ ตอได ไ ด 2 แบบคื 2 แบบคอื แบบ 2 สัญญาณ (Echo กับ Trigger) และแบบ 1 สั Trigger) และแบบ 1 สัญญาณ - สามารถติ ฟแสดงการทำงาน ซึ่งกะพริ ก ะพริบตามจั ตามจังหวะของการตรวจจั หวะของการตรวจจับสัสญ ั ญาณ - มีไ ฟแสดงการทำงาน ซึ - มีข นาดเล็กคืคอื 43 มม. x 20 มม. x 17 มม. (กวางxยาวxสูง) เลี้ยง +5V ตองการกระแสไฟฟ งการกระแสไฟฟา 30mA - ใชไ ฟฟเลี งการ The Prototype Electronics
73
SENSOR : Ultrasonic
GND MODE
MODE MODE ไม่ ่อ : ติิ ดต ดต่่ อแบบ 2 ส อแบบ 2 ั สัญญาณ ญญาณ ไม่ต่ อ : ต
Echo pulse output
+5V
SRF05
5
ไม่มไมีก่ มารต่ านทีี ่จจุ ุดดเหล เหล่่ าน าีนี้ ้ ี การตอ่ ใช้ อใช้งงานท GND
การกำหนด MODE ของ SRF05 การกำหนด MODE ของ SRF05 เพืเพ่อื ่ อเล เลือื อกการต กการติิ ดดต ต่่ ออแบบ 1 ส แบบ 1 สัั ญ ญาณ ญญาณ ใช้จุด Trigger pulse Input สำหรับ ใช้ จุ ด Trigger pulse input สำหรั บ สื่อสารกับไมโครคอนโทรลเลอร์ สื่อสารกั บไมโครคอนโทรลเลอร์
MODE
Trigger pulse input
+5V SRF05
ไม่ไมม่ ีกมีารต่ ใช้งงานท านทีี ่ จจุ ุดดเหล เหล่่ าน านีี ้ ้ การตอ่ อใช้
รูปที่ 4 แสดงขาสัญญาณของ SRF05 และการกำหนดโหมดทำงาน
แบบมาใหใชงานกับไมโครคอนโทรลเลอรไดงายโดยใช ขาเชื่อมตอเพียง 1 หรือ 2 ขา ขึ้นอยูกับการกำหนดโหมด ในการเชื่อมตอ ซึ่งเ หมาะอยางยิ่งกับการประยุกตใ ชงาน ดานหุนยนต มีขาตอใชงานแสดงในรูปที่ 4 1. ขาไฟเลี้ยง สำหรับตอไฟเลี้ยงแรงดัน +5V 2. ข า Echo Pulse Output เปนขาเอาตพุต สำหรับส งสัญญาณพัลสอ อกจาก SFR04 ซึ่งการใชงาน จะนำขานไ้ี ปตอ เขากับพอรตอนิ พุตของไมโครคอนโทรลเลอร เพื่อตรวจจับความกวางของสัญญาณพัลสที่สงออกมา เพื่อแ ปลความหมายออกมาเปนระยะทางอีกครั้งหนึ่ง 3. ข า Trigger Pulse Input เปนขาอินพุตร ับ สัญญาณพัลสที่มีความกวางอยางนอย 10 ไมโครวินาที เพื่อกระตุนการสรางคลื่นอัลตราโซนิกความถี่ 40kHz ออกสูอากาศจากตัวสง ดังนั้นเมื่อคลื่นความถี่ดังกลาว นี้เคลื่อนที่ไปกระทบสิ่งกีดขวางที่อยูเบื้องหนาก็จะเกิด การสะทอนกลับเขามายังตัวรับ และถูกแปลงออกมา เปนความกวางของสัญญาณพัลสที่จะสงออกไปทางขา EchoPulseOutput 74
The Prototype Electronics
4. ขา MODE เปนขาอินพุตเ พื่อเลือกโหมดการ ติดตอก ับโ มดูล SRF05 ถาหากปลอยลอยไว เปนการเลือก โหมดการตดิ ตอแ บบ 2 สัญญาณ ถาหากตอ ลงกราวด เปนการ เลือกโหมดการติดตอแ บบ 1สัญญาณ 5. ขา GNDสำหรับตอก ราวด SR F 0 5 จ ะส ง สั ญ ญาณค ลื ่ น อ ั ล ตร า โซนิ กอ อกไป เมื่อไดรับสัญญาณกระตุนใหทำงานเขามาที่ขาอินพุต Trig ger pulse จากนั้นวัดระยะเวลาที่ตัวรับค ลื่นอ ัลตราโซนิกจะ ไดรับคลื่นส ะทอนตอบกลับมา เอาตพุตท ี่ไดจ าก SRF 05 จะ อยูในรูปของความกวางพัลสซึ่งสัมพันธกับระยะทางของวัตถุ ที่ตรวจจับได ความถีส่ ัญญาณอัลตราโซนิกข อง SRF 05 คือ 40 kHz ถูกส งออกไปในอากาศดวยความเร็ว 1,100 ฟุตตอ วินาที ดังนั้นเมื่อทราบความเร็วในการเคลื่อนที่ของคลื่น,เวลา เริ่มตนสงค ลื่น และเวลาที่รับเสียงสะทอนกลับมา จึงสามารถ คำนวณหาคาของระยะทางได ระยะทางที่ไดนั้นจะตองมีการคำนวณคากลับทาง คณิ ต ศาสตร เ มื ่ อ ใ ช ก ั บ ไ มโครค อนโทรลเลอร แ ล ว ถ ื อ ว า เปนเรื่องยุงยากพอสมควร ดังน ั้น SRF05 จึงประมวลผลคา ทางคณิตศาสตรตางๆ เหลานี้ไวเรียบรอยแลว จากนั้นสง ผลลัพธท ี่วัดไดออกมาทางขา Echooutpu tเปนพัลสที่มีความ กวางสัมพันธกับระยะทางที่วัดไ ด การสงผลลัพธที่วัดไดออกมาเปนในเชิงความกวาง ของสัญญาณพัลสอาจจะดูวายุงยากกวาการสงเปนขอมูล ดิจิตอลออกมา แตก ารสงออกมาเปนขอมูลด ิจิตอลอาจตอง ใชสายสัญญาณจำนวนมากซึ่งทำใหตองใชขาพอรตในการ เชื่อมตอเปนจำนวนมากตามไปดวย ดังนั้นหากสงผลลัพธ ออกมาในรูปของสัญญาณพัลส จะใชสายสัญญาณเพียง เสนเ ดียว จึงทำใหสะดวกมากในการนำมาเชื่อมตอกับไมโคร คอนโทรลเลอร
นับเปนโอกาสอันด ีที่ทาง Daventech ผูผลิตโมดูล SRF 05 โดยคุณ Gerald Cole กรรมการผูจัดการ ไดอนุญาต ใหเปดเผยและตพี มิ พวงจรของโมดูล SRF05 ลงในวารสาร TP E นับเปนครั้งแรกที่วงจรของ SRF05 ไดรับการเผยแพรใน สื่อส าธารณะ วงจรสมบูรณข องโมดูล SRF05 แสดงในรูป ที่ 5 การทำงานของวงจรของโมดูล SRF05 แบงเปน 4 สวน คือ สวนของไมโครคอนโทรลเลอร PIC1 6F630 (IC3) ซึ่ง ไดรับการโปรแกรมขอมูลของโปรแกรมควบคุมหรือเฟรมแวร
+5V
1 Vcc
LED1 TRACK
C5 0.1/50V
RA5 R11 390 6
RA1/CinRC4 RA0/Cin+ RA2/Cout
C4 0.01/50V
R10 2.2k
12
Vss
+5V
+5V
R8 11 62k
R7 1.2k
1
8
3 2
IC1 TLC272
1
3 2
R6 18k
IC2 TLC272
4
4 R4 47k
8
C3 0.1/50V
C2 R3 0.1/50V 2.2k
R2 47k
+5V
RA3/MCLR 14
R5 47k
R9 120k
13
10 RC0 9 RC1 3 RA4
R13 47k
+5V
R12 47k
2
IC3* SRF05_FW (PIC16F630)
+5V +5V ECHO OUT TRIGGER IN MODE GND
C6 0.1/50V
RC5
RC3
4
1 2 3 4 5
R1 2.2k PROGRAMMING PORT (N/A)
C2 0.1/50V Rx1 400SR16
5
7
Tx1 400ST16
* เป็นไมโครคอนโทรลเลอร์ ที่ได้รั บการโปรแกรมมาจากผู้ผลิต
รูปที่ 5 วงจรสมบูรณของ SRF05 โมดูลวัดระยะทางดวยคลื่นอัลตราโซนิก มาจากท าง De v a n t e c h โดยใ ช แ หล ง กำเนิ ด ส ั ญ ญาณ นาฬิกาจากภายในตัว ไมโครคอนโทรลเลอรเอง, โมดูลตวั สง คลืน่ อ ลั ตราโซนิก (Tx1), โมดูลตัวรับคลื่นอ ัลตราโซนิก (Rx1) และวงจรขยายและปรับแตงสัญญาณที่ไดจากโมดูลตัวรับค ลื่น อัลตราโซนิก เมื ่ อ ไ มโครค อนโทรลเลอร ไ ด ร ั บ สั ญ ญาณพ ั ล ส กระตุนเขามาทางอินพุต Triggerpulse มันจะสรางสัญญาณ 40 kHz เพื่อขับโ มดูลตัวสงคลื่นอ ัลตราโซนิก ซึ่งตออ ยูท ี่ขา R C3 และ RC5 เมื่อคลื่นเดินทางไปอากาศกระทบกับวัตถุ กีดขวางก็จะสะทอนกลับมายังตัวรับคลื่นอ ัลตราโซนิก วงจร ขยายและปรับแตงส ัญญาณซึ่งมีไอซีออปแอมป IC1, IC 2 และวงจรตัวตานทานและตัวเก็บประจุตอรวมดวยจะทำ หนาที่ในการขยายสัญญาณที่ไดจากตัวรับคลื่นอัลตราโซนิก และปรับแตงใหมีความชัดเจน จากนั้นสงเขาไปยังไมโคร คอนโทรลเลอร เพื่อนำไปสรางสัญญาณพัลสท ี่มคี วามกวาง สัมพันธกับระยะเวลาที่ไมโครคอนโทรลเลอรสงคลื่นและ ไดรับคลื่นสะทอนออกไปทางขา RC0 หรือ ECH O OUT ใน กรณีท ี่เลือกใหโมดูล SRF05ทำการติดตอแ บบ 2สัญญาณ ถาหากเลือกให SRF05 ทำงานในโหมดการติดตอ แบบ 1 สัญญาณ (ขา MODE ตอลงกราวด) ขาสัญญาณที่
ใชรับสัญญาณพัลสกระตุนและขาสงพัลสออกจะเปนขาเดียว กัน นั่นคือค ือ RC1หรือ TRIGGER PUL SE เมือ่ ไมโครคอนโทรลเลอรสามารถตรวจจับคลืน่ สะทอน ั ญาณ จากวตั ถุไ ด จะขบั ใ ห LED1 ตดิ กะพริบตามจังหวะของสญ พัลสเพื่อแจงใหผูใชงานทราบ ดังนั้นเราสามารถทดสอบการ ทำงานในขน้ั ตนจากการสงั เกตการทำงานของ LED1น้ี จุดตอ PROGRAMMINGPORTจะถูกใชในการโปร แกรมเฟรมแวรของผูผลิต ในการใชงานปกติของพวกเราไม ตองใชงานจุดต อพ อรตน ี้
SRF05มีโหมดการทำงาน 2โหมดคือ โหมด 2และ 1 สัญญาณ ผูใชงานสามารถเลือกไดดวยการกำหนดลอจิกที่ เหมาะสมใหกับขาอินพุตโ หมด (MODE) ของโมดูล SRF 05 หากตองการเลือกโหมดการทำงานแบบ 2สัญญาณ ใหปลอยขา MODEใหลอยไว หากตองการเลือกโหมดการทำงานแบบ 1สัญญาณ ใหตอข า MODEลงกราวด The Prototype Electronics
75
SENSOR : Ultrasonic
สัสัญญญาณพ ญาณพัลลส สก์ ระตุ นุ ้ น กระต กว ง 10 ไมโครวินาที กว้าาง 10 ไมโครวิ นาที สัสญั ญญาณกระต ญาณกระตุนุ ้ น ทีท่ขี ่ า TRIGGER ขา TRIGGER
5
สัสญ ญาณอัลั ตร กิ ก ั ญญาณอ ลตร้าโซนิ าโซน ถูถูกกส ส ง่ งออกมา 8 ไซเก ออกมา 8 ไซเกิล ิ ล
สัญญาณคลื่นความถี่เหนือเสียง สัญญาณ ่นความถี อเสียง (อัลตร้คลืาโซน ิ ก) ที่เ่ หนื ส่งออกจาก (อัลตร าโซนิ ก)ที่สงอ อกจากโมดูล SRF05 โมด ู ล SRF05
หน งเวลา 10 มิลิ ลิลล วินวิาที หน่ววงเวลา 10 ม นาที ่ อไป กก่ออนส นสง่ งพ พัลั ลส สล์ ูกลูตกต อไป
ความ กวาางพ งพั ลส ัลส์ สะท สะท้ อน อน ถาพถัล้ าพ ความกว้ มี สั สลส ะท์ สะท อน้ ทอนท ี่ไดมี ่ ได ีค้ วาม 100 ไมโครวินาที ถึี ง ความกว้ 100 ไมโครวิ นาท า 30 ม กวางกวาางกว่ 30 มิ ลลิวิ ินลลาทีิ วิ นาท ี มิลิ ลล ลิวิ วิินนาท าที ี แสดงว ต รวจจัั บบไม ไม่ พพบวั บวัตตถ ถุุ ถึ 25 ง 25 ม แสดงว่าาตรวจจ
ั ญญาณเอาต ่ อง ECHO สัสญ ญาณเอาตพ์ ุตพชุ ตช อง ECHO ทีที่ส่ สง่ ออก มาจากโมดูล SRF05 งออกมาจากโมด ู ล SRF05
รูปที่ 6 ไดอะแกรมเวลาแสดงสัญญาณที่ส่งไปยัง SRF05 และสัญญาณที่ตอบรั บกลับมาจาก SRF05 ในกรณีติดต่อแบบ 2 สัญญาณ
5 เริ่มตนดวยการปอนสัญญาณพัลสลอจิก “1” (มี แรงดัน +5V) ใหกับขาอินพุต Trigger Pulse เปนเวลาไม นอยกวา 10 ไมโครวินาที เมื่อตัวโ มดูลไดรับพัลสแลวจ ะสราง สัญญาณความถี่เหนือเสียงหรืออัลตราโซนิกแลวขับออกไป ในอากาศ เมื่อคลื่นความถี่นี้กระทบกับวัตถุจะสะทอนกลับ มายังตัวรับคลื่นอัลตราโซนิก ตัวโมดูลจะคำนวณระยะหาง จากวัตถุ และสรางพัลสเอาตพุตขับอ อกมาที่ขา Echo Pulse Out โ ดยพัลสที่ไดมีความกวางแปรผันตรงกับระยะทางที่วัด ไดดงั แสดงไดอะแกรมเวลาของการทำงานในโหมดนใ้ี นรปู ท ่ี 6
ั ญญาณพ สัสญ ญาณพั ลลส ส์กกระต ระตุุ น้ น กวกว้าางอย งอยา่ างน งนอ้ อย ย 10 ไมโครวินนาท าที ี 10 ไมโครวิ ล์สสะท ส ะท้ อน (echo) ท อน (echo) ทีี ่ ส่ ่ งออกจากโมด งอ อกจากโมดูลู ล SRF05 SRF05 พัพัลส ความกวาง 100 ไมโครวิ าง 100 ไมโครวินนาท าทีี ถถึงง 25 ม 25 มิิลลล ลิวิ วิินนาท าที ี มีมีความกว้ หากกวางกว่ างกวา 30 ม า 30 มิ ิลลล ลิิ ววิ ินนาท าทีี ถถืออว่วาา หากกว้ ตรวจจัั บไม บไ ม่ พพบวั บวัตตถ ถุุ ตรวจจ
ญญาณกระตุ สสัั ญญาณกระต ุ ้ นน ่ขา TRIGGER ที่ทีขา TRIGGER สัสัญญญาณอ ญาณอั ัลลตร้ ตราาโซน โซนิิ กก ถูถูกกสส่ งงออกมา 8 ไซเก ออกมา 8 ไซเกิิ ลล สัสัญ ญาณคลื่นื ่ นความถ ความถี่เหนื อเสีื อเส ยง ี ยง ญญาณคล ี ่ เหน ((อ อั ัลลตร้ ตราาโซน โซนิกิ )ทีก) ท ่สงี อ่ สอกจาก ่ งออกจาก โโมด มดูู ลล SRF05 SRF05
รูปที่ 7 ไดอะแกรมเวลาแสดงสัญญาณที่ส่งไปยัง SRF05 และสัญญาณที่ตอ บรับกลับมาจาก SRF05 ในกรณีติดต่อแบบ 1 สัญญาณ (ต่อขาอินพุต MODE ลงกราวด์)
76
The Prototype Electronics
การท ำงานใ นโ หมด 1 ส ั ญ ญาณส ามารถ แสดงด ว ยไ ดอะแ กรมเ วลาใ นร ู ป ท ี ่ 7 ก ารท ำงานจ ะ คลายคลึงกัน เพียงแตจะจุดรับสัญญาณกระตุนและ จุ ดส ง สั ญ ญาณพ ั ล สผ ลลั พ ธอ อกน ั ้ นจ ะเปนจุดเดียว กัน เริ่มตนด วยการปอนสัญญาณพัลสล อจิก “1 ” (มี แรงดัน +5V) ใหก ับขาอินพุต Trigger Pulse เปนเวลา ไมนอยกวา 10 ไมโครวินาที เมื่อต ัวโมดูลไดรับพ ัลส แลวจะสรางสัญญาณความถี่เหนือเสียงขับออกไปใน อากาศ จากนั้นตัวโมดูลจะเปลี่ยนหนาที่การทำงานของ ขาอินพุต Trigger Pulse เปนขาเอาตพุตเ พื่อสงพัลสที่มี ความกวางแปรผันตรงกับระยะทางที่วัดไ ด
ก ารใ ช ง านก ั บ ไ มโครค อนโทรลเลอร เ มื ่ อ เลือกติดตอกับ SRF0 5 แบบ 2 สัญญาณ ในรูปที่ 8 แสดงตัวอยางวงจรของการตอใช งานโมดูล SRF05 กับไมโครคอนโทรลเลอรใ นแบบ 2 สัญญาณ
(1) ขาพอรตทต่ี อ กบั ขา Trigger Pulse หรือ PULSE ของโมดูล SRF 05 ตองกำหนดเปนเอาตพุตแลว สรางสัญญาณพัลสบ วกที่มคี วามกวาง 10 ไมโครวินาที สงไปยัง SRF05 เพื่อกระตุนใ หโมดูล SRF05 เริ่มตน กระบวนการวัดร ะยะทาง (2) ขาพอรตข องไมโครคอนโทรลเลอรที่ตอกับ ขา Echo Pulse Out ของโมดูล SRF05 จะตองกำหนด ใหเปนอินพุต เพื่อรอรับสัญญาณพัสจ ากโมดูล SR F05 (3 ) ทันทีที่โมดูล SRF 05 ไดรับสัญญาณพัลส บวกเ ข าท ี ่ข า Trigger Pulse โ มดู ล SR F 0 5 จ ะส ร า ง ขบวนพัลสค วามถี่ 40kHz สงออกสูอากาศ ขบวนพัลส อัลตราโซนิกนี้จะเดินทางจนกระทั่งกระทบวัตถุที่ขวาง อยูเ บื้องหนา ทำใหพัลสส ะทอนกลับเ ขามายังตัวรับของ โมดูล SRF05 หลังจากนั้นหนวยประมวลผลภายใน โมดูล SR F05 จะวิเคราะหและสรางสัญญาณพัลสบวก ที่มีความกวางเปนสัดสวนโดยตรงกับระยะทางที่ตรวจ จับไดส งออกมาทางขา Echo Out
ไมโครคอนโทรลเลอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์
คคลลื ่ ื่นนคความ ส ง ส่งออออกจ วามถี่ ถ40 k กจาากกโ ม ี ่ 40HkzH โมดดูลู ลSR z SF0R5
พั ลส์ บบวกกว้ วกกวาง 10 ไมโครวินาที นาที พัลส าง 10 ไมโครวิ
F05
GND Pout Pin
ECHO
TRIGGER PULSE
ากน อนะจท้อRFั ง05 ท ี ่ ส ะ ถี่สมถ Sาย ค่ นวคามวาายุ ังกโมลัดบูลม 5 ื น ่ ื ล ล คค ลับวมั ตถ RF0 ัวตถจุกาก มดูล S โ
+Vcc +5V
วัวัตถ ตถุุ เป้ าหมาย าหมาย เป
โมดูล SRF05
ไมโครคอนโทรลเลอร์ ไมโครคอนโทรลเลอร์
รูปที่ 8 วงจรของการต่อใช้งานโมดูล SRF05 กับไมโครคอนโทรลเลอร์ในแบบ 2 สัญญาณ
คคลื่นค ส่สงองอออลื่นคววามามถี่ ถ40 k กจจาากกโม ี ่ 40HkzH โมดูลดู ลS z R SF0R5 F05
พัลสบวกกวาง 10 ไมโครวินาที
พัลส์บวกกว้ าง 10 ไมโครวิ นาที GND
Pin/out
TRIGGER PULSE
าก น อ่ สนะจท้อRF05 ท ี ะ ถี่ส ถ S ยัง วนาคมวามังโมลดั บูล มา ค น ่ ื ื ่ คลคล ลับมวัาตยถุก F05 R ุก ก วัตถจา ดูล S
+Vcc +5V
ตถุุ วัวัตถ เป้ าหมาย าหมาย เป
โม
โมดูล SRF05 รูปที่ 9 วงจรของการต่อใช้งานโมดูล SRF05 กับไมโครคอนโทรลเลอร์ในแบบ 1 สัญญาณ
θ < 45ο ระยะ ระยะ อยกวาา นน้ อยกว่ 1 ซม. 1 ซม.
θ
วัตถุ วั ตถุ เปาหมาย
วัวั ตตถถุุ เป ้ เปาาหมาย หมาย
เป้าหมาย
วัตตถ ถุุ เเป ป้าาหมาย หมาย
(ก) วั ู ล SRF05 (ก) วัตถ ตถุุ เเป ป้าาหมายอย หมายอยูหู า่ หง่ จางจากโมด ากโมดูล SRF05 ต่ ำกวา ำการ (นอยกวา 1 ซม.) ต่ระยะ ำกว่ ทาระยะทำการ (น ้ อยกว่ า 1 ซม.)
(ข) วัตตถ าหมายอย ู ล SRF05แนว (ข) วั ถุเุปเปา้ หมาย อยูหู า่ หง่ จางจากโมด ากโมดูล SRF05 ใน ้ อยกว่ เอีในแนวเอ ยงที่ทำมี ุมยงท นอี ่ ทำม ยกวุ ามน 45 องศาา 45 องศา
รูปที่ 10 แสดงข้อจำกัดใ นการใช้งานของโมดูล SRF05
(ค) วั ตถุเป้าหมายมีขนาดเล็กเกินไป จนไม(ค) วั ่ สามารถสะท ้ อนคล นความถ ้ ตถุเ ปาหมาย มีขื ่นาด เล็กเกิี ่ อนั ลตร้ ไปจาโซน นไมสิ กได ามารถ สะทอนคลื่นค วามถีอ่ ัลตราโซนิกได
The Prototype Electronics
77
SENSOR : Ultrasonic
(4 ) สำหรับการนับความกวางพัลสที่ขา EC HO ควร ใชไทเมอร 16 บิต เปนตัวนับเวลาความกวางของสัญญาณ พัลส โดยจะเริ่มตนนับ เมื่อพบวา มีการเปลี่ยนแปลงลอจิก แบบขาขึ้น จาก “0” ไปเปน “1” และหยุดการนับเมื่อพบการ เปลี่ยนแปลงลอจิกแบบขาลง จาก “1” ไปเปน “0” (5 ) ในการคำนวณหาคาร ะยะทาง ใหนำคาความ กวางพัลสที่วัดไดในหนวยไมโครวินาทีหารดวย 58 จะได ระยะทางในหนวยเซนติเมตร ถาตองการระยะทางในหนวย นิ้วใหนำคาที่ไดหารดวย 148
5 ในร ู ป ท ี ่ 9 แสดงต ั ว อย า งว งจรข องก ารต อ ใ ช ง าน โมดูล SRF05 กับไมโครคอนโทรลเลอรในแบบ 1 สัญญาณ
(1 ) เมื่อเริ่มตนการทำงาน ตองกำหนดใหขาพอรต ที่ตอกับขา Trigger Pulse หรือ PULSE ของโมดูล SR F05 เปน เอาตพุต แลวสรางสัญญาณพัลสบวกกวาง 10 ไมโครวินาที สงไปกระตุนใหโมดูล SRF05 เริ่มตนกระบวนการวัดร ะยะทาง (2) จากนั้น SRF05 จะสงสัญญาณความถี่อัลตรา โซนิกจำนวน 8 ไซเกิลออกสูอากาศ (3 ) เปลี่ยนการทำงานของขาพอรตจากเอาตพุตเ ปน อินพุต เพื่อรอรับสัญญาณพัลสผลลัพธจากโมดูล SRF 05 (4) เมื่อขบวนพัลสอัลตราโซนิกเดินทางจนกระทั่ง กระทบวัตถุที่ขวางอยูเบื้องหนา ทำใหพัลสสะทอนกลับเขามา ยังตัวรับของโมดูล SRF05 หลังจากนั้นหนวยประมวลผลภาย ในโมดูล SRF05 จะวิเคราะหและสรางสัญญาณพัลสบ วกที่มี ความกวางเปนสัดสวนโดยตรงกับระยะทางที่ตรวจจับไดสง ออกมาทางขา ECHO (5) ไมโครคอนโทรลเลอรทำการนับความกวางพัลส ที่ไดมาจากขา Echo โดยใชไทเมอร 16 บิต เปนตัวนับเ วลา ความกวางของสัญญาณพัลส โดยจะเริ่มตนนับ เมื่อพ บวา มี การเปลี่ยนแปลงลอจิกแบบขาขึ้น จาก “0” ไปเปน “1” และ หยุดการนับเมื่อพบการเปลี่ยนแปลงลอจิกแบบขาลง จาก “1 ” ไปเปน “0” (6) ในการคำนวณหาคาระยะทาง ใหนำคาความ กวางพัลสที่วัดไดในหนวยไมโครวินาทีหารดวย 58 จะได ระยะทางในหนวยเซนติเมตร ถาตองการระยะทางในหนวย นิ้วใหนำคาที่ไดหารดวย 148 78
The Prototype Electronics
5
เนื ่ อ งจากโ มดู ล S R F 0 5 ใ ช ก ารต รวจจั บ ค ลื ่ น ท ี ่ สะทอนกลับจากวัตถุเปาหมายในการวัดระยะทาง ทำใหมี ขอจำกัดใ นการทำงานดังแ สดงในรูปที่ 10 นั่นคือ SRF05 ไม สามารถทำงานไดดีภายใตเงื่อนไขดังนี้ (1) วัตถุเปาหมายอยูใกลกวาระยะทำการ ซึ่งตาม คุณสมบัตทิ างเทคนิคผ ูผลิตก ำหนดมาคือ 1 เซนติเมตรโดย ประมาณ (2) โมดูล SRF05 อยูห างจากวัตถุเ ปาหมายในมุมท ี่ ต่ำกวา 45 องศา ทำใหไ มสามารถรับคลื่นที่สะทอนกลับจาก วัตถุไ ด (3)วัตถุเปาหมายมีขนาดเล็กเกินไป คาระยะทาง ที่ไดจากโมดูล SRF05 มีโอกาสที่จะผิดพลาดคลาดเคลื่อน ไดเมื่อเทียบกับระยะทางจริง ทั้งนี้เนื่องจากคลื่นที่สะทอน กลับมาอาจไมไดมาจากวัตถุเ ปาหมายเพียงอยางเดียว เพราะ เมื่อคลื่นเดินทางไปในอากาศอาจจะกระทบกับวัตถุอื่นใดที่ อยูใ กลเ คลียงกับวัตถุเ ปาหมาย แลวสะทอนกลับม ายังโมดูล SRF05 ซึ่งอาจเกิดไ ดทั้งในกรณีท ี่คลื่นส ะทอนกลับม าเร็วและ ชากวาค ลื่นสะทอนที่มาจากวัตถุเ ปาหมาย ดังนั้นการที่จะ สามารถใช SRF05 ใหส ามารถวัตร ะยะทางไดดี ควรควบคุม สภาพแวดลอมใหมีวัตถุอื่นใดที่ไมใชวัตถุเปาหมายนอยที่สุด หรือไ มมเี ลย นับจากนี้ คุณๆ คงรูจักเซนเซอรยอดนิยมตัวนี้เพิ่ม มากขึ้น และหวังวา คุณผ ูอานที่มีศักยภาพจะสามารถนำ ขอมูลในขอเขียนชิ้นนี้ไปใชประกอบในการใชงานเซนเซอรตัว นี้ไดอยางถูกตองและลดความเสียหายที่อาจเกิดขึ้นจากการ ใชงานโดยไมตั้งใจได รวมถึงก ารหาทางตอย อดหรือทดลอง พัฒนาเซนเซอรวัดระยะทางขึ้นใชเ องไดต อไป
Special Thanks :
Gerald Cole Devantech Ltd (Robot Electronics) www.robot-electronics.co.uk