Курсовая работа: Разработка опытного образца модели парковочного радара на базе микроконтроллера ATmega

Рис.5 Структурная схема ультразвукового дальномера

Разработка архитектуры устройства измерения расстояния до препятствия с высокой точностью (Рис.5)[8].

Данное устройство состоит из следующих частей:

1. Устройство контроля и управления ;

2. Устройство считывания информации;

3. Питание;

4. Индикация.

Устройство контроля и управления.

Представляет собой микроконтроллер, на порты которого с помощью устройства считывания информации могут подаваться сигналы низкого и высокого уровня, микроконтроллер выполняет определенные действия в соответствии, с кодом программы записанном в нем, после чего с определенных портов микроконтроллера (данные порты являются выходными) сигнал подается на индикацию данного устройства[6].

Устройство считывания информации.

Устройством считывания информации в архитектуре разрабатываемого устройства является датчик (ультразвуковой дальномер). Также могут использоваться различные сенсоры, которые могут определять заданное расстояние. Функциональное предназначение устройства считывания информации, это выдача входных сигналов (управляющих) на порты микроконтроллера, то есть взаимодействие между окружающей средой и сенсорами данного датчика (пользовательский интерфейс)[7].

Питание.

Питание, используемое в данном устройстве немало важный показатель. Для проектируемого устройства необходимо постоянное питание +12В (потребляемое напряжение микроконтроллером), но используемый нами микроконтроллер предусматривает питание от гальванического элемента +9В. Для корректной работы проектируемого устройства необходимо питание +12В, которое можно получить от блока питания или подключением через провод прошивки микроконтроллера.

Индикация.

Индикация является одной из важнейших частей в архитектуре проектируемого устройства, так как она обеспечивает наглядные показания для наблюдения, контроля, характеристики и оценки работы проектируемого устройства[4].

2.2 Выбор датчиков или устройств управления разрабатываемого ультразвукового дальномера

В данном разделе разрабатываемого ультразвукового дальномера рассматриваются варианты органов управления данным устройством[8].

В настоящее время имеется большое разнообразие различных ультразвуковых датчиков, сенсоров[14].

Конкретно для нашего микроконтроллера существует один из самых распространенных ультразвуковых датчиков, имеющий встроенную библиотеку для выполнения кода программы (HC-SR04).

Проектируемое устройство должно быть компактным и иметь малую себестоимость. Рассмотрим несколько условий:

1. Стоимость органа управления (чем выше стоимость, тем больше будет себестоимость проекта);

2. Размер (разрабатываемое устройство должно иметь малые размеры, соответственно крупногабаритные органы управления не рассматриваются);

3. Простота использования (отсутствие большого количества входных и выходных данных).

Рассмотрим существующие датчики (описание и принцип работы датчика)[13]:

1) Ультразвуковой датчик расстояния - модуль HC-SR04 использует акустическое излучение для определения расстояния до объекта. Этот бесконтактный датчик обеспечивает высокую точность и стабильность измерений. Диапазон измерений составляет: от 2 см до 400 см. На показания датчика практически не влияют солнечное излучение и электромагнитные шумы.

Рис.6 Внешний вид датчика HC-SR04

Характеристики:

1. Напряжение питание: 5В

2. Потребление в режиме тишины: 2 мА

3. Потребление при работе: 15 мА

4. Диапазон расстояний: 2-400 см

5. Эффективный угол наблюдения: 15°

6. Рабочий угол наблюдения: 30°

Диаграмма направленности:

Рис.7 Градус направленности сенсора датчика

Принцип работы:

Сенсор излучает короткий ультразвуковой импульс (в момент времени 0), который отражается от объекта и принимается сенсором. Расстояние рассчитывается исходя из времени до получения эха и скорости звука в воздухе. Сенсор получает сигнал эха, и выдаёт расстояние, которое кодируется длительностью электрического сигнал на выходе датчика (Echo).
Следующий импульс может быть излучён, только после исчезновения эха от предыдущего. Это время называется периодом цикла (cycle period). Рекомендованный период между импульсами должен быть не менее 50 мс.
Если на сигнальный пин (Trig) подаётся импульс длительностью 10 мкс, то ультразвуковой модуль будет излучать восемь пачек ультразвукового сигнала с частотой 40кГц и обнаруживать их эхо.

Данный датчик идеально подходит для проектирования устройства, соблюдая выше написанные условия.

2) Это модель URM37 v3.2 (разработка YeRobot, производство DFRobot). Сенсор работает как сонар: посылает ультразвуковой пучок и по задержке отражённого сигнала определяет расстояние до цели.

3)

Рис.8 Внешний вид датчика URM37

Характеристики:

1.Напряжение питания: 5В

2.Потребляемый ток: до 20 мА

3.Диапазон расстояний: 4 см - 3 м (при хороших условиях до 5 м)

4.Разрешение: 1 см

Принцип работы:

Для считывания данных предусмотрен целый ряд интерфейсов: Serial или PWM, TTL или RS232. Также предусмотрены разные режимы работы: определение расстояния по запросу, постоянное сканирование. Всё это делает сенсор крайне гибким в использовании и подходящим для широкого круга задач.

Но датчик имеет один из минусов. Поскольку в основе работы устройства используется звук, сонар плохо подходит для определения расстояния до звукопоглощающих объектов, к примеру, мебель с высоким ворсом[14].

Вывод: Данный датчик не подходит для построения устройства, так как имеет высокую цену. Так же для данного датчика отсутствует официальная библиотека для построения кода программы.

4) Инфракрасный дальномер позволяет определять расстояние до объектов. Это модель GP2Y0A02YK компании Sharp. Сенсор определяет расстояние по отражённому лучу света в инфракрасном спектре. Дальномер может использоваться для объезда препятствий и ориентирования на местности.

5)

Рис.9 Внешний вид датчика GP2Y0A02YK

Характеристики:

1.Напряжение питания: 5В

2.Потребляемый ток: 33-50 мА

3.Диапазон расстояний: 20-150 см

Принцип работы:

Импульсы ИК излучения испускаются излучателем. Это излучение распространяется и отражается от объектов находящихся в поле зрения сенсора. Отраженное излучение возвращается на приемник. Испускаемый и отраженный лучи образуют треугольник «излучатель -- обьект отражения -- приемник».

Угол отражения напрямую зависит от расстояния до объекта. Полученные отраженные импульсы собираются высококачественной линзой и передаются на линейную CCD матрицу. По засветке определенного участка CCD матрицы определяется угол отражения и высчитывается расстояние до объекта.

Данный датчик также имеет ряд минусов. Поскольку в основе работы устройства используется свет, сенсор плохо подходит для определения расстояния до свето-поглощающих объектов. Дальномер даже не почувствует прозрачную поверхность, например из пластика или оргстекла. Этот инфракрасный дальномер имеет довольно большую мёртвую зону перед собой: 20 см[14].

Вывод: Данный датчик не подходит для построения устройства, так как имеет высокую цену, и принцип работы не удовлетворяет получению задуманного результата работы устройства.

2.3 Выбор микроконтроллера разрабатываемого ультразвукового дальномера

Микроконтроллер должен соответствовать следующим требованиям:

1. Микроконтроллер должен иметь требуемое число контактов/портов ввода/ вывода, так как в случае их недостатка он не сможет выполнить работу;

2. Обеспечивает ли ядро процессора необходимую производительность, то есть вычислительную мощность, позволяющую обрабатывать системные запросы в течение всей жизни системы на выбранном прикладном языке;

3. Должен быть достаточно дешевым;

4. Его производство не остановлено или было остановлено не так давно;

5. Должен иметь малое энергопотребление;

6. Должен быть отказоустойчивым.

Рассмотрим микроконтроллер Arduino Uno R3 (Рис.10)[12].

Arduino - это инструмент для проектирования электронных устройств (электронный конструктор) более плотно взаимодействующих с окружающей физической средой, чем стандартные персональные компьютеры, которые фактически не выходят за рамки виртуальности. Это платформа, предназначенная для «physical computing» с открытым программным кодом, построенная на простой печатной плате с современной средой для написания программного обеспечения.

Arduino Uno построена на базе микроконтроллера ATmega328. Платформа имеет 14 цифровых входа/выходов (6 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 6 аналоговых входов, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки[1].

Рис.10 Распиновка микроконтроллера Arduino Uno

Таблица 1 Характеристики микроконтроллера

Напряжение внешнего источника питания может быть в диапазоне 6 - 20В. Но рекомендуется не допускать снижение напряжения ниже 7 В из-за нестабильной работы устройства. Также нежелательно повышать напряжение питания более 12 В, так как может перегреется стабилизатор и выйти из строя. То есть рекомендуемый диапазон напряжения питания 7 - 12В.

Рассмотрим микроконтроллер Arduino Mega (Рис.11)[12].

Arduino Mega построена на микроконтроллере ATmega1280. Платформа содержит 54 цифровых входа/выходов (14 из которых могут использоваться как выходы ШИМ), 16 аналоговых входов,4 последовательных порта UART, кварцевый генератор 16 МГц, разъем USB, силовой разъем, разъем ICSP и кнопку перезагрузки. Arduino Mega совместима со всеми платами расширения, разработанными для платформ Duemilanove или Diecimila.

Таблица 2 Характеристики микроконтроллера

Рис.11 Распиновка микроконтроллера Arduino Mega

Питание в данном микроконтроллере осуществляется таким же образом, как и в Arduino Uno. Рекомендуется не допускать снижение напряжения ниже 7 В из-за нестабильной работы устройства. Также нежелательно повышать напряжение питания более 12 В, так как может перегреется стабилизатор и выйти из строя.

Данный микроконтроллер имеет довольно большой набор преимуществ, но имеет высокую себестоимость, и довольно сложен в монтаже на печатных платах[6].

Вывод: Рассмотрев микроконтроллеры, оценив их себестоимость, возможности и доступность (покупка, монтаж), выбираем для разрабатываемого устройства микроконтроллер Arduino Uno.

2.4 Разработка интерфейсов ультразвукового дальномера

Интерфейс - совокупность возможностей, способов и методов взаимодействия двух систем, устройств или программ для обмена информацией между ними, определенная их характеристиками, характеристиками соединения, сигналов обмена и т.п[4].

Примеры:

1. Руль, педали газа и тормоза, ручка КПП -- интерфейс (управления) автомобиля или же интерфейс системы «водитель -- автомобиль»;