Перейти к содержанию

Датчики расстояния: инфракрасные Sharp и ультразвуковые

Расстояние до предмета микроконтроллер чаще всего измеряет двумя способами: инфракрасным датчиком с триангуляцией, как у Sharp, или ультразвуком по времени возврата эха. Разбираем по даташитам Sharp и Texas Instruments, как они работают, почему выход ИК-датчика нелинеен и неоднозначен вблизи, и как температура сбивает ультразвуковой дальномер.

Обновлено Редакция GAW

Содержание

Для измерения расстояния до предмета в любительской и промышленной электронике чаще всего используют два принципа. Инфракрасный датчик с триангуляцией определяет расстояние по углу, под которым возвращается отражённый луч, — так работают модули Sharp серии GP2Y. Ультразвуковой дальномер измеряет время, за которое звуковой импульс долетает до предмета и возвращается эхом.

ИК-датчики Sharp: триангуляция

По даташиту Sharp GP2Y0A21YK0F состоит из ИК-светодиода, позиционно-чувствительного фотоприёмника (PSD) и схемы обработки. Светодиод посылает луч, отражённый свет падает на PSD в точку, которая смещается с расстоянием, и схема выдаёт напряжение. Главное достоинство метода по Sharp: результат мало зависит от отражающей способности предмета, температуры и наработки — кривые для белой бумаги с отражением 90 % и серой с 18 % на графике из даташита почти совпадают.

ПараметрGP2Y0A21YK0FGP2Y0A02YK0F
Диапазон10–80 см20–150 см
Питание4,5–5,5 В4,5–5,5 В
Ток30 мА, до 40 мА33 мА, до 50 мА
Выход на дальнем краю0,25–0,55 В на 80 см0,25–0,55 В на 150 см
Размах выхода по диапазону1,65–2,15 В1,8–2,3 В
Рабочая температура−10…+60 °C−10…+60 °C

Выводы разъёма GP2Y0A21YK0F по даташиту: 1 — выход Vo, 2 — общий, 3 — питание.

Нелинейный выход. Напряжение не пропорционально расстоянию. По графику из даташита GP2Y0A21YK0F выход падает от 2,3 В на 10 см до 0,4 В на 80 см, а в зависимости от обратного расстояния, 1/L, — почти прямая. Поэтому в программе пересчитывают напряжение в расстояние по таблице или по формуле с 1/L, подобранной на своём датчике: разброс между экземплярами заметный — на 80 см выход от 0,25 до 0,55 В.

Неоднозначность вблизи. Ближе 10 см выход сначала продолжает расти, достигает максимума около 3,1 В на 6 см, а затем падает. Одно и то же напряжение соответствует двум расстояниям. Датчик размещают так, чтобы предмет не подходил ближе нижней границы диапазона.

Время измерения. По временной диаграмме из даташита одно измерение длится 38,3 ± 9,6 мс, и выход обновляется не позже 5 мс после его окончания. Сразу после включения выход нестабилен. Новое значение появляется раз в 30–50 мс, а для подавления шума несколько отсчётов усредняют.

Питание. Светодиод работает импульсами, и Sharp рекомендует блокировочный конденсатор 10 мкФ или больше между Vcc и GND рядом с датчиком. Без него импульсы тока проникают в питание и в соседние аналоговые цепи.

Помехи и установка. Sharp перечисляет в примечаниях:

  • прямой свет солнца или лампы накаливания на приёмник искажает измерение;
  • расстояние до зеркальных поверхностей измеряется не всегда — иногда помогает изменить угол установки;
  • если у предмета граница двух материалов или цветов, датчик ставят так, чтобы линия между излучателем и приёмником была параллельна этой границе;
  • если предмет движется вбок, линию между излучателем и приёмником ориентируют перпендикулярно направлению движения;
  • защитное окно перед датчиком должно пропускать длину волны светодиода 870 ± 70 нм, а линзы нужно держать чистыми.

Ультразвук: время пролёта

Ультразвуковой дальномер излучает короткий импульс и ждёт эхо. Звук проходит путь до предмета и обратно, поэтому по даташиту TI PGA460:

L=vзв⋅t2.L = \frac{v_\text{зв} \cdot t}{2}.

TI принимает скорость звука при комнатной температуре 343 м/с и даёт поправку на температуру:

vзв=331 м/с+0,6 м/с∘C⋅T.v_\text{зв} = 331\ \text{м/с} + 0{,}6\ \frac{\text{м/с}}{^\circ\text{C}} \cdot T.

Пример: эхо пришло через 5,83 мс. При 343 м/с расстояние — 343 · 0,00583 / 2 ≈ 1,00 м. Если тот же замер сделан на морозе 0 °C, скорость звука — 331 м/с, и настоящее расстояние — 0,965 м: без температурной поправки ошибка около 3,5 %. Поэтому точные ультразвуковые дальномеры измеряют и температуру воздуха.

Популярные недорогие ультразвуковые модули мы здесь не разбираем: у них нет даташита производителя, на который можно сослаться. Принцип у них тот же: микроконтроллер измеряет длительность импульса эха и пересчитывает её по формуле выше.

Что выбрать

  • 10–80 см, простое подключение к АЦП — GP2Y0A21YK0F; 20–150 см — GP2Y0A02YK0F. Учтите ток 30–50 мА и нелинейный выход.
  • Большие расстояния, независимость от освещения — ультразвук, с поправкой на температуру.
  • Измерение в батарейном устройстве — ИК-датчик Sharp потребляет десятки миллиампер постоянно, поэтому его включают только на время измерения.

Другие датчики — в разделе «Датчики», измерение наклона и движения — в статье об акселерометрах и гироскопах.

Частые вопросы

Как подключить Sharp GP2Y0A21YK0F к Arduino?

По даташиту Sharp у разъёма три вывода: 1 — выход Vo, 2 — GND, 3 — питание Vcc 4,5–5,5 В. Выход подают на аналоговый вход. Sharp рекомендует конденсатор 10 мкФ или больше между Vcc и GND рядом с датчиком — он потребляет ток импульсами, в среднем 30 мА. Выход нелинеен, поэтому напряжение пересчитывают в расстояние по таблице калибровки.

Почему ИК-датчик Sharp показывает неправильное расстояние вблизи?

Из-за формы его характеристики. По графику из даташита GP2Y0A21YK0F выходное напряжение растёт с приближением предмета до максимума около 3,1 В на 6 см, а ближе снова падает. Поэтому одно и то же напряжение соответствует двум расстояниям — меньше 6 см и больше. Рабочий диапазон датчика — 10–80 см; ближе предмет к нему подпускать не нужно.

Как ультразвуковой датчик измеряет расстояние?

Он излучает короткий звуковой импульс и измеряет время до прихода эха. Звук проходит путь туда и обратно, поэтому расстояние равно скорости звука, умноженной на время и делённой на 2. TI в даташите PGA460 принимает скорость звука 343 м/с при комнатной температуре и даёт поправку: 331 м/с плюс 0,6 м/с на каждый градус Цельсия.

Влияет ли цвет предмета на показания датчика Sharp?

Почти нет — в этом достоинство триангуляции. Sharp пишет, что отражающая способность, температура и наработка мало влияют на результат, а на графике из даташита кривые для белой бумаги с отражением 90 % и серой с 18 % почти совпадают. Мешают другое: прямой свет солнца или лампы накаливания на приёмник и зеркальные поверхности.

Источники

  1. Sharp. GP2Y0A21YK0F Distance Measuring Sensor Unit (Sheet No. E4-A00201EN) — триангуляция: PSD, ИК-светодиод и схема обработки; аналоговый выход; диапазон 10–80 см; питание 4,5–5,5 В, предел 7 В; ток 30 мА типично, до 40 мА; выход 0,25–0,55 В (0,4 типично) на 80 см; разность выходов между 10 и 80 см 1,65–2,15 В (1,9 типично); измерения на белой бумаге с отражением 90 %; рабочая температура −10…+60 °C; выводы разъёма: 1 Vo, 2 GND, 3 Vcc; рис. 1 — измерение 38,3 ± 9,6 мс, выход обновляется не позже 5 мс после конца измерения; рис. 2 — выход растёт до максимума около 3,1 В на 6 см и падает ближе; почти линеен от обратного расстояния; отражающая способность и температура почти не влияют благодаря триангуляции; примечания: блокировочный конденсатор 10 мкФ и больше между Vcc и GND, засветка солнцем и лампами накаливания, зеркальные поверхности, ориентация датчика относительно границ и направления движения предмета
  2. Sharp. GP2Y0A02YK0F Distance Measuring Sensor Unit (Sheet No. E4-A00101EN) — диапазон 20–150 см; питание 4,5–5,5 В; ток 33 мА типично, до 50 мА; выход 0,25–0,55 В на 150 см; разность выходов между 20 и 150 см 1,8–2,3 В (2,05 типично)
  3. Texas Instruments. PGA460 Ultrasonic Signal Processor and Transducer Driver (SLASEJ4C, revised February 2023) — разд. 7.3.6.2 — пересчёт времени пролёта в расстояние: расстояние = скорость звука × время ÷ 2; скорость звука при комнатной температуре обычно принимают 343 м/с, с поправкой на температуру: 331 м/с + 0,6 м/с/°C × T

Нашли ошибку?

Смотрите также