title : UltrasonicSensor author : 이우택 (wootaik@gmail.com) date : Sep 13 2018

Ultrasonic Sensor

개요

Timer/count기능을 사용하여 Ultrasonic Sensor를 동작시킨다.

  • 초음파센서의 물체와의 거리 측정 성능
  • 초음파센서 측정각도

References

  • Ultrasonic.zip

Ultrasonic 기초 지식

초음파란?

  • 사람이 들을 수 있는 가청주파수 영역(20~20kHz)보다 높은 음파를 초음파라고 한다.
  • 음파의 속도는 약 340m/s이고 액체와 고체의 경게면에서 반사, 굴절, 회절의 성질을 가진다.

초음파센서의 원리

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  • 음파를 쏘고 음파가 물체에 부딪혀 되돌아 올 때까지의 시간을 측정하여 거리 측정

$$ L = {1\over2} \times t \times v $$

$$ L: Distance[m]\ t:time[s]\ v:the~speed~of~soundwave(340m/s) $$

HC-SR04 신호 모듈레이션 방법

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  • 다음의 순서로 동작

    • Trig 핀에 10us이상의 펄스 신호를 입력

    • 주파수 40kHz의 초음파를 발사한다. 발사된 초음파는 물체의 표면에 부딪히고 반사된다. 반사된 일부 초음파는 초음파센서로 다시 돌아온다.

    • Echo 핀을 통해 물체와의 거리에 비례한 펄스폭을 가진 펄스신호 출력

  • Echo핀을 통해 출력되는 펄스신호의 펄스폭으로 거리계산

    • 펄스폭은 초음파를 쏘고 물체에 부딪혀 되돌아올 때까지의 시간
    • 따라서, 초음파 원리를 바탕으로 식을 유도하면 다음과 같다.

    $$ Distance~=~{1\over2}\times~340m/s~\times~echo_-pulse_-width[us] $$

    • 위 식을 정리하고, 단위를 정리하면 다음 식과 같다.

$$ Distance[cm]~=~echo_-pulse_-width[us]~\div~58 $$

  • 측정 사이클은 60ms 이상

실험환경

H/W Setup

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Circuit

  • 외부의 5V 전원을 사용하여 초음파 센서 전원 공급
  • Tirg: 5V TTL 입력 신호 이므로 XMC 출력과 직접 연결
  • Echo: 5V 신호 이므로 전압 분배 회로로 3.3V 로 변환하여 XMC 입력으로 연결
  • 대상물체의 크기 : 15cm x 15cm

  • Oscilloscope로 Echo신호 펄스폭 모니터링

    • PC를 통해 MCU에서 측정한 Echo신호 펄스폭과 비교
    • PC를 사용하여 Echo신호 펄스폭 및 거리 모니터링

S/W Setup

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dhPWM_0

  • 초음파센서 트리거 신호 생성

  • Frequency : 16 [Hz]

    • 초음파센서 측정사이클 : 62.5 [ms]

  • Duty cycle : 0.02 [%]

    • Trig 신호 펄스 길이 : 12.5 [us]

dhCAPTURE

  • 초음파센서 Echo신호 펄스폭 측정

  • Desired Timer Resolution : 174

    • 초음파센서 거리 Resolution : 0.3cm

  • Capture edge : Rise-to-Fall

  • Overwrite Capture Value : Enable

CB_dhSYSTIMER_0_u32SwTimer_60ms

  • Echo 펄스폭 길이를 읽고 초음파센서가 측정한 물체와의 거리 계산

  • 변환식 Basic Theory 참조

실험방법

거리측정실험

  1. 물체의 위치(L)를 10, 20, 30, 40, 50, 60cm에 위치시킨다

  2. Oscilloscope 로 echo_pulse_width 를 측정한다.

  3. uC/Probe 에서 echo_pulse_width 계산값과 거리 계산값을 측정한다.

측정각도 실험

  1. 대상물체를 초음파센서 정면 30cm, 평행위치(D) 에 위치시킨다.

  2. uC/Probe 에서 echo_pulse_width 계산값과 거리 계산값을 측정한다.

실험 결과

거리측정실험

Distance

Echo의 Pulse width와 그에 따른 거리를 uC/Probe로 관찰 할 수 있다.

  • 목표물을 중심에 놓고, 즉 D=0cm, 다음의 실험 조건에서 거리 측정 실험을 실시한다.
L[cm] 10 20 30 40 50 60
Cap. Time
Distance

측정각도실험

Angle

대상 물체를 이동하여 D의 거리에 변화를 주면 그림과 같이 모니터링 가능하다.

  • L = 30cm로 고정하고 다음의 실험 조건에서 거리 측정 실험을 실시한다.
D[cm] -45 -30 -15 0 +15 +30 +45
Cap. Time
Distance