Светофор в гараже. Настоящий

Шел мелкий и противный дождь. Настроение было гнусным.
Он лежал на обочине и тихо ржавел. Рядом на столбе сверкал огнями молодой собрат.
Я остановился и положил его в багажник.
Я уже не один.
И он не один.

Привез на дачу, разобрал, отмыл от грязи и покрасил из баллончика.

Применение нашлось сразу. Новая машина оказалась шире предыдущей и заезд в гараж стал более проблематичным. Всякие «колокольчики-на-веревочках» — это не для нас. Итак – стационарный парктроник.

Аппаратура

1. Широко распространенные ультразвуковые датчики HC-SR04. 2 штуки, по одному на каждую стенку. В интернете полно информации о них. Описание ниже.

Ultrasonic Ranging Module HC — SR04

Product features:

Ultrasonic ranging module HC — SR04 provides 2cm — 400cm non-contact measurement function, the ranging accuracy can reach to 3mm. The modules includes ultrasonic transmitters, receiver and control circuit. The basic principle of work:
Using IO trigger for at least 10us high level signal.
The Module automatically sends eight 40 kHz and detect whether there is a pulse signal back.
IF the signal back, through high level, time of high output IO duration is the time from sending ultrasonic to returning.
Test distance = (high level time × velocity of sound (340M/S) / 2

Wire connecting direct as following:

5V Supply
Trigger Pulse Input
Echo Pulse Output
0V Ground

Electric Parameter

Working Voltage DC 5 V
Working Current 15mA
Working Frequency 40Hz
Max Range 4m
Min Range 2cm
Measuring Angle 15 degree
Trigger Input Signal 10uS TTL pulse
Echo Output Signal Input TTL lever signal and the range in proportion
Dimension 45*20*15mm

Timing diagram

The Timing diagram is shown below. You only need to supply a short 10uS pulse to the trigger input to start the ranging, and then the module will send out an 8 cycle burst of ultrasound at 40 kHz and raise its echo. The Echo is a distance object that is pulse width and the range in proportion .You can calculate the range through the time interval between sending trigger signal and receiving echo signal. Formula: uS / 58 = centimeters or uS / 148 =inch; or: the range = high-level time * velocity (340M/S) / 2; we suggest to use over 60ms measurement cycle, in order to prevent trigger signal to the echo signal.

Закреплены на боковых стенках на въезде в гараж с помощью полосок из оцинкованной жести. Крепление должно позволить отрегулировать датчики «по месту» в зависимости от габаритов авто (высота, ширина капота, форма крыльев…).

2. Контроллер – PIC16f84a. Почему этот:
а) их есть у меня;
б) у него 2 порта ввода-вывода, суммарно 13 разрядов, как раз столько и надо. 3шт. – управление светофором (Красный – Желтый – Зеленый), 6шт. – левый и правый светодиоды (К-Ж-З), 2шт. – импульс локации (Trig) на левый и правый датчики, 2шт. – отраженный импульс (Echo) от левого и правого датчиков.

3. Два трехцветных светодиода, по одному на каждую стенку. Светодиодов Красный – Желтый – Зеленый не нашел. Может и не бывает их, а может плохо искал. Поэтому роль желтого у светодиодов играет синий цвет. Для полной идентичности, конечно, можно было использовать раздельные светодиоды. И не было бы с желтым проблем. Но такой компромисс я счел допустимым.

4. Блоки управления лампами светофора. 3шт., по одному на каждую лампу.
Идеально подходит блок управления включением-выключением телевизора.

Состоит из маломощного силового трансформатора (220 в 7 вольт), диодного выпрямителя, стабилизатора на КР142ЕН5х (или аналог), транзисторного ключа и реле. При подаче на вход логической «1» ключ открывается, реле срабатывает и 220в подается на выход. Кроме того, поскольку КРЕН обеспечивает стабилизированные 5в, от одного из этих блоков резонно запитать микроконтроллер. Их полно на любом радиорынке. Если кого-то раздражает щёлканье реле, несложно сделать схему на тиристорах.

5. Кварцевый резонатор на 4мгц.
Это весьма удобная частота для тех микроконтроллеров, что у меня есть. Легко считать временны́е параметры. Период тактовых импульсов = 250нс, машинный цикл состоит из четырех тактов, следовательно, равен 1мкс. Команды в RISC-контроллерах выполняются за 1 или 2 машинных цикла, так что с вычислением времени, которое пройдет «от того, как…до того, как» проблем нет. Можно использовать другой в пределах допустимых частот, но придется пересчитывать таймауты. Это совсем небольшая проблема.

6. Несколько резисторов и конденсаторов, рекомендуемых типовой схемой включения PIC16f84a и два токоограничивающих резистора для светодиодов. Даташит смотреть, например, здесь: ссылка.

Общий вид собранного девайса:

Плата с микроконтроллером:

Принципиальная схема

Алгоритм

Простой, практически линейный. По включении питания проводится тест аппаратуры. Якобы тест, больше для красоты. С интервалом в 1сек переключаются красный-желтый-зеленый, затем с тем же интервалом три раза включаются все лампы светофора. После этого — переход к бесконечному циклу опроса левого и правого каналов. При проходе каждого канала, в зависимости от полученного результата, устанавливается соответствующий бит (флаг) PORTB и включается один из светодиодов данного канала. По окончании полного цикла производится анализ состояния флагов Red-Yellow-Green обоих каналов и на основании этого включается соответствующая лампа светофора. Таблица истинности выглядит так:

Любой канал Красный. Светофор — Красный.
Оба канала Зеленый. Светофор — Зеленый.
Все остальные случаи. Светофор — Желтый.

В нескольких словах сердцевина алгоритма «по шагам»:

1. Формируем импульс Trig;
2. Ожидаем прихода ответного импульса Echo;
3. Запускаем таймаут 1ms;
4. По истечении таймаута проверяем есть ли еще «лог.1» на входе Echo;
5. Если нет, значит мы на опасном приближении к датчику соответствующего канала. Включаем красный флаг данного канала и переходим на другой канал;
6. Если Echo еще есть, повторяем п.п.3 и 4;
7. Если нет, значит мы на среднем удалении от датчика. Включаем желтый флаг и переходим на другой канал;
8. Если Echo еще есть, значит мы далеко. Дожидаемся его окончания, включаем зеленый флаг и переходим на другой канал.

В чем суть? Нам не нужно вычислять точное расстояние до объекта. То есть не надо длительность импульса Echo делить на 58, как указано в описании датчика. Мы, не дальномер строим. Нам нужно узнать всего лишь положение объекта по отношению к двум одинаковым диапазонам расстояний от объекта до датчика. Для этого используется таймаут 1ms (см.п.3), что в итоге дает: 1000µs: 58 = 17см. Итак – ближе 17см – красный, от 17 до 34см – желтый, дальше 34см – зеленый. Меняя константы в подпрограмме “Pause 1ms”, можно варьировать расстояния в зависимости от размеров авто, ширины ворот и навыков вождения.

Микропрограмма

Листинг микропрограммы приведен ниже. Ассемблер. Константы, кроме тех, что в таймаутах, – в двоичной системе, поскольку устройство, бит-ориентированное. И при отладке или анализе все равно пришлось бы переводить в двоичную систему. Для предотвращения зависаний в программе используется Watchdog Timer.

Видео

Благодарности и обязательства

Автор выражает благодарность своей жене, которая во время реальных испытаний бесстрашно стояла в воротах гаража и следила за тем, чтобы автор не въехал ни левым, ни правым крылом авто в стену на въезде. Если найдутся бесстрашные последователи, желающие повторить проект, автор с удовольствием ответит всем.

Автор: LEONIDLVB

Источник