【Follow me第二季第1期】任务3：接近检测

eew_Ya3s2d 发表于 2024-10-12 10:02

本帖最后由 eew_Ya3s2d 于 2024-10-12 10:02 编辑

大家好，我是郑工，尘世间一个迷途小工程师。

 

最近家里比较忙，人到中年，忙忙碌碌的，正如张爱玲在《半生缘》里写的“中年以后的男人，时常会觉得孤独，因为他一睁开眼睛，周围都是要依靠他的人，却没有他可以依靠的人”。咦，等等，我们是工程师，回到正题，说说这次FM活动第一期的任务3，这个任务我也研究了一些时间，做了一些实验，我们先说说原理。

 

电路图如下：

  

红外发送的电路很简单就是用一个npn三极管去驱动红外发射管。

 

红外接收电路就用了一个专用芯片VSOP383。在网上找到了原理图，框图如下

 

  

可以看到红外接收管如果的地方，有个bias偏置电路，所以在无发送的时候，也会有个偏置电压，用万用表测试了一下，这个电压是0.925v。用白光测试了一下，发现红外接收管对于白光是不敏感的。然后规格书上也说了，器件是对38kHz的红外光敏感，可以看到下图的频率响应。

  

而在CPX的规格书里面说明了，可以用A10作为接近感应器的输入管脚。

  

最后，进入REPL查询我们可以知道管脚定义并不是A10，而是IR_PROXIMITY

（附：进入REPL的办法，可以用mu，打开串口，使用ctr + c暂停程序，然后按回车进入REPL。REPL代表“读取-评估-打印-循环”（Read-Evaluate-Print Loop），它是一个交互式编程环境，允许用户输入代码并立即执行，然后显示结果。这非常有用，尤其是当你需要对代码进行故障排除或测试新想法时。）

  

所以我们的程序思路其实就很明确了，就是使用IR_TX管脚，输入一个38khz的脉冲或者多个脉冲，然后立刻去读取IR_PROXIMITY的AD值。当有物体接近的时候，反射光会叠加到芯片的偏置上，接近得越近，AD的数值就越大。

 

之前我些了一个简单的代码，程序也可以运行，跟我猜想的也一样，代码如下：

<pre>
<code class="language-python">import analogio
import digitalio
import board
import time

ir_tx = digitalio.DigitalInOut(board.IR_TX)
ir_tx.direction = digitalio.Direction.OUTPUT
proximity = analogio.AnalogIn(board.IR_PROXIMITY)
delay_time = 0.00001
while True:
for i in range(2):
 time.sleep(delay_time)
 ir_tx.value = True
 time.sleep(delay_time)
 ir_tx.value = False
proximity_value = proximity.value
print("proximity Level: %d" % proximity_value)
time.sleep(0.1)</code></pre>

延时的数值确定为10微秒是因为38khz方波的周期为26微秒，高电平，低电平的时间都为13微秒，粗略估计进入退出time.sleep函数的时间3微秒，函数是用于大致测试使用的，没有卡太准，我用示波器测试看到波形确实也是有的，波形如下：

  

讲真这波形跟我想象中还是有些出入，可能这发射跟接收之间并没有严格隔离，所以其实可以看到发射期间IR_PROXIMITY的电压都有上升的，只是我接近的时候，在准备低电平那时候有个尖峰，没接近的时候，就没这个尖峰。在我正想研究这个到底有什么内在逻辑的时候，这个波形消失了。然而我单独测试发射或者接收，也是没问题的，搞了好久，都没理解到底哪里出问题了，搞得我一度很气馁，也研究过好多坛友的帖子，感觉也是大差不差，甚至我担心38k输入不准确，使用pwmio.PWMOut(board.IR_TX, frequency=38000, duty_cycle=35768)产生一个准确的38k方波，都是一点反应没有。不知道是不是被我用示波器捅的时候捅出什么问题了。

 

加上生活工作上一些琐事，让我一直拖延到了现在，我想事情还是得解决的，既然这条路走不通，我们要创造条件完成任务，所以我买了一个超声波距离传感器

  

由图可见使用的是CS100A超声波芯片。这个芯片的使用方式也很简单，在 TRIG 管脚输入一个 10US 以上的高电平（一般建议 50US 左右），芯片（TP，TN管脚）便可发出 8 个 40KHZ 的超声波脉冲，然后（RP，RN）检测回波信号。当检测到回波信号后，通过 ECHO 管脚输出。

 

根据 ECHO 管脚输出高电平的持续时间可以计算距离值。即距离值为：(高电平时间*340m/s)/2。当测量距离超过测量范围时，CS100A 仍会通过 ECHO 管脚输出高电平的信号，高电 
平的宽度约为 33ms 。

 

测量周期：当芯片通过 ECHO 管脚输出的高电平脉冲后，便可进行下一次测量，所以测量周期取决于测量距离，当测距很近时，ECHO 返回的脉冲宽度较窄，测量周期就很短；当测距较远时，ECHO 返回的脉冲宽度较宽，测量周期也就相应的变长。

 

最坏情况下，被测物体超出测量范围，此时返回的脉冲宽度最长，约为 33ms，所以最坏情况下的测量周期大于 33ms 即可（比如测量周期可取 50ms）。  

 

  

这是正常时候的波形

 

  

这是超出范围的波形

 

计算其实就比较简单，音波在空气中的传播速度是340m/s = 34000cm/1000ms = 34cm/ms。距离 = 时间 x 速度，考虑上一来一回，所以距离 = 时间 x 速度 / 2。最后距离 = 时间 x 17，单位是厘米。由此可知，33ms也有500+m，显然是超出我们想侦测的范围。

 

由此我写了以下的代码侦测距离

<pre>
<code class="language-python"> # 发送出发信号，时间是500us，只要比需求长就可以了
ir_tx.value = True
time.sleep(0.0005)
ir_tx.value = False
rx_count = 0
# 等待回复的高电平
while ir_rx.value is False:
 time.sleep(0.0001)
 rx_count = rx_count + 1
 if rx_count > 10000:# 发送高电平之后等待时间太长，认为是发送失败
 break
start_time = time.monotonic_ns() #获取高电平开始的时间戳，单位是ns
while ir_rx.value is True:
 pass
end_time = time.monotonic_ns() #获取高电平结束的时间戳，单位是ns
duration = round((end_time - start_time)/1000000, 2)
if duration < 0.05:# 时间太短
 continue
print(f'duration time:{duration} ms')
distance = round(duration*17.0, 1) # 时间*340m/s(34cm/ms)/2
print(f'distance:{distance} cm')</code></pre>

代码并不复杂，就是发送一个出发信号，然后等待回复，用time.monotonic_ns()函数获取时间戳，计算开始与结束的时间差。

 

后面需要简单说一下的就是播放音频的代码。其实就是一些代码的参（复）考（制）

<a href="https://learn.adafruit.com/adafruit-circuit-playground-express/circuitpython-audio-out">CircuitPython Audio Out | Adafruit Circuit Playground Express | Adafruit Learning System</a>

简单说就是使用audioio库里面的AudioOut作为播放器，用audiocore或者audioio里的WaveFile加载音频文件，这样就可以播放音频文件了。

<pre>
<code class="language-python">try:
from audiocore import WaveFile
except ImportError:
from audioio import WaveFile

try:
from audioio import AudioOut
except ImportError:
try:
 from audiopwmio import PWMAudioOut as AudioOut
except ImportError:
 pass# not always supported by every board!

def play_file(filename):
print("Playing file: " + filename)
wave_file = open(filename, "rb")
with WaveFile(wave_file) as wave:
 with AudioOut(board.SPEAKER) as audio:
 audio.play(wave)
 while audio.playing:
 pass
print("Finished")</code></pre>

灯光警报就没什么好说的，之前就提过的内容，因为距离测试耗费的时间太长了，就没有整什么花活，可以参考我之前的帖子

<a href="https://bbs.eeworld.com.cn/thread-1289057-1-1.html">【Follow me第二季第1期】任务1：控制板载炫彩LED，跑马灯点亮和颜色变换 - DigiKey得捷技术专区 - 电子工程世界-论坛 (eeworld.com.cn)</a>

或者等我把任务代码提交了，直接拷贝一下。

 

专业的超声波测距模块还是挺准的，我测试精确度都有厘米级别了。

wangerxian 发表于 2024-10-12 15:34

用python写超声波代码这么简单的吗？{:1_113:}

hellokitty_bean 发表于 2024-10-14 09:24

一不小心，竟然碰到了一个文艺中年呀！！。。。。。。。。谢谢大哥分享！

老实讲没细看帖子，但帖子写得工整漂亮！让人心折不已<img height="48" src="https://bbs.eeworld.com.cn/static/editor/plugins/hkemoji/sticker/facebook/loveliness.gif" width="48" />

eew_Ya3s2d 发表于 2024-10-14 23:13

wangerxian 发表于 2024-10-12 15:34
用python写超声波代码这么简单的吗？

AS100S是个专用芯片，使用起来就是简单，现在好像都是用模块比较多

wangerxian 发表于 2024-10-15 10:32

eew_Ya3s2d 发表于 2024-10-14 23:13
AS100S是个专用芯片，使用起来就是简单，现在好像都是用模块比较多

嗯嗯，一般都是先拿模块测试，没问题了就画板子了

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