TMR Distancia con HC-SR04

 Medición HC-SR04 con el PIC16F

Hola todos los visitantes aficionados a la electrónica y en especial a la programación de microcontroladores PIC, En esta ocasión veremos el conocido modulo HC-SR04 utilizado en muchos proyectos relacionados a la robótica y microcontroladores.

El objetivo de esta sección es leer la distancia a un objeto o superficie utilizando el microcontrolador PIC16F y su modulo TMR1 como recurso para medir el tiempo.

La programación se realizara utilizando el compilador XC8 y el entorno

MPLABX disponibles en la pagina de microchip de forma gratuita, ademas también necesitara de los siguientes archivos peripheral.h y peripheral.c que contienen procedimientos y funciones básicas para el PIC16F887, puede prescindir de ellos o incluso modificarlos a su criterio si posee conocimientos sobre los registros SFR y sus respectivo bits.

Paso 1. Conocer el modulo HC-SR04.

Si revisamos la hoja de datos del modulo podemos resumir lo siguiente:

• El voltaje de operación es de 5VDC y tiene un consumo de 15mA.
• Su rango de aplicación va desde los 2cm hasta los 400cm, aunque en algunas especificaciones indica hasta los 500cm.
• Posee con un rango de apertura total de 30 grados.

La siguiente imagen describe el principio de operación:

Para dar inicio al proceso de medición con el sensor, se debe aplicar un pulso de disparo inicial en el pin TRIGGER, el mismo deberá tener una duración de al menos 10uS, una vez recibido el pulso el modulo emitirá al espacio una señal no audible(ocho tonos pulsantes de 40KHz), que durante su recorrido podrá reflejarse en cualquier obstáculo siendo este nuestro objetivo de medición, entonces las señal reflejada es capturada por un receptor posibilitando de esta manera determinar la distancia en base al retardo entre la emisión y recepción de los pulsos, como salida final el modulo a través del pin ECHO emite un pulso con un tiempo de duración proporcional al retardo.
Para una lectura real el microcontrolador únicamente debe medir el ancho del pulso en la señal ECHO y calcular la distancia considerando que los pulsos viajan a la velocidad de 343m/s(velocidad del sonido), teniendo como referencia que por cada 1cm transcurren 29uS y como los pulsos emitidos recorren un trayecto de ida y de retorno, el tiempo total por cada 1cm sera de 58uS.

Paso 2. Conectar el modulo al PIC16F.

El modulo no requiere elementos adicionales y solo se necesita alimentarlo con 5V, en nuestro ejemplo la señal ECHO del sensor se  conectara al pin de entrada RD0 y el TRIGGER al pin RD1
Adicionalmente un diodo LED conectado al pin RE2 indicara el funcionamiento normal del programa mediante destellos con intervalos de un segundo

Paso 3. Programación y lectura.

Ahora describiré el código del programa en diferentes secciones:

#pragma config FOSC = INTRC_NOCLKOUT, WDTE = OFF, LVP = OFF
#include <xc.h>
#include <stdio.h>
#define _XTAL_FREQ 4000000
#define TRIGpin PORTDbits.RD1
#define ECHOpin PORTDbits.RD0
#include "peripheral.h"
unsigned int distcm = 0;
unsigned int SR04Getval(); //Función para la lectura del sensor
void DelayMS(unsigned int n); //Procedimiento para el generar retardo
 
Esta primera parte define los pines utilizados con el sensor y la frecuencia de operación del PIC a 4MHz para conseguir un ciclo de instrucción de 1uS, también se declara la variable distcm para almacenar la distancia en centímetros.

void main(void)
{
    ANSEL = 0;    //AN0-AN7 en modo digital
    ANSELH = 0;   //AN8-AN12 en modo digital
    TRISEbits.TRISE2 = 0; //Salida Led pin RE2
    TRISDbits.TRISD1 = 0; //Salida para el disparo TRIG
    TRISDbits.TRISD0 = 1; //Entrada para el pin ECO
    PORTD = 0;
    UARTSetup(9600);    //Configura el modulo Serial a 9600
    TMR1Setup(TIMER, T1PRE1); //Ajusta TMR1 en modo tempo con pre 1:1 
    TMR0Setup(TIMER, T0PRE8); //Ajusta TMR0 en modo tempo con pre 1:8
    while(1)
    {
        distcm = SR04Getval(); //Lectura del sensor
        printf("Distancia cm:%u\r\n", distcm); //Enviar el mensaje cm:xx
        DelayMS(500);  //Genera un retardo de 500ms
        PORTEbits.RE2 = 0;
        DelayMS(500);
        PORTEbits.RE2 = 1;
    }
}

Esta sección corresponde a la rutina principal del programa, dentro de la secuencia repetitiva se procede a medir la distancia y mostrar su valor enviando un mensaje de distancia por el puerto serie, el ciclo se repite cada segundo, en cada intervalo hay dos esperas de medio segundo (500ms) que sirve para destellar el LED, en este punto quiero aclarar que este retardo representa un tiempo muerto no deseable en cualquier sistema secuencial y la razón de porque utilizo en el presente ejemplo solo es para simplificar la comprensión del modulo.

El recurso que permitirá conocer el tiempo el es modulo TMR1 a través de su registro contador, el cual ajustado sin pre-escala con relación 1:1 se incrementa con cada ciclo de maquina Tcy transcurrido, es decir cada 1uS.

void DelayMS(unsigned int n)
{
    while(n > 0)
    {
        TMR0Setval(131); //Para 1ms donde el Tcy=1uS y PRE8
        INTCONbits.TMR0IF = 0;
        while(INTCONbits.TMR0IF == 0);
        n--;
    }
}
 

El procedimiento anterior es para generar retardos en milisegundos utilizando el modulo TMR0, mismo que cuenta los intervalos de 1ms; El calculo para determinar el valor del registro TMR0 proviene de la siguiente ecuación:

unsigned int SR04Getval()
{
    unsigned int value;
    TRIGpin = 1;
    __delay_us(10); //Pulso de disparo al pin TRIGGER
    TRIGpin = 0;
    while(ECHOpin == 0); //Espera el inico del pulso de ECO
    PIR1bits.TMR1IF = 0;
    TMR1Setval(0);  //Inicia en 0 el registro contador.
    TMR1Start(); //Inicia el modulo TMR1
    while(ECHOpin == 1) //Espera a que finalice el pulso ECO
    {
        if(PIR1bits.TMR1IF == 1) //Verifica condición de desbordamiento
            break; //Finaliza si hay desbordamiento del registro contador
    }
    TMR1Stop(); //Para el modulo TMR1
    value = TMR1Getval(); //Lee el registro contador en la variable
    return value/58; //Se calcula la distancia dividiendo el total uS/58
}

Finalmente, se describe la función que permite calcular la distancia en función al ancho de pulso del eco, esta función retorna la distancia en cm.

El pulso de disparo que requiere el sensor se efectúa con las siguientes lineas: 

    TRIGpin = 1;
    __delay_us(10); //Pulso de disparo al pin TRIGGER
    TRIGpin = 0;
    

Una vez efectuado el disparo el sensor genera internamente una emisión de pulsos de ultrasonido, esta señal se reflejara en el objeto a medir y sera captada por el sensor y enviara un pulso en alto con una duración equivalente al tiempo transcurrido, por este motivo una vez que el microcontrolador genera el pulso de disparo, este deberá esperar el inicio del pulso de eco, medir su tiempo en alto y calcular asi la distancia.   

Paso 4. Simulación y Prueba. 

Para la prueba utilizo una placa de ensayos a la que llamo B8P40, que me facilita la conexión al convertidor UART/USB, de otra manera tendría que montar todo en un protoboard.

Se utilizo un programa terminal de puerto serial que se conecta al convertidor UART/USB incluida en la placa B8P40, de esta manera es posible recibir los siguientes mensajes que incluyen información de la distancia por cada segundo.

Paso 5. Conclusiones y recomendaciones.

El código de este ejemplo considera una situación ideal donde los pulsos de disparo siempre serán reflejados, y así el ancho de pulso en el pin eco tendría una duración no mayor a 38ms que es la distancia máxima del sensor; pero en una situación real estas condiciones podrían no ocurrir si el objeto esta muy distante o no existe un reflejo de los pulsos, entonces se sugiere tomar en cuenta estos detalles en la programación en caso de una implementación real.

Debido a que la lectura implica tiempos de espera para la señal de eco, el código presentado en este ejemplo bloquea la secuencia o sondeo del programa principal, y no es posible determinar un tiempo fijo, porque esto va depender de la distancia del objeto, una alternativa a esta situación puede ser hacer uso del pin RB0/INT para detectar mediante una interrupción el inicio y fin del pulso eco.

También es recomendable utilizar el promedio de varias lecturas con la finalidad de reducir el error que normalmente se deben a las interferencias de los pulsos en el trayecto.

 

Pablo Zarate Arancibia
Ingeniero Electrónico
pablinzte@gmail.com

Santa Cruz - Bolivia