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超音波センサというのは?? - その2 実例?超音波センサPING))) さらにその1-

こんにちは、GRA父です。

先月がこのblog始まって以来初の更新回数でした(爆笑)
娘達もblogを書かなくなっているようなので、blogタイトルを変更しようか?とも思い始めている今日この頃です。(それはないですけど。)

さて、前回の”原理とか?”(?を付け忘れた・・・。)を書きました。
本当は、その補足を書こうと思いましたが、これから書いていく時に、その補足を入れながらにしようと思います(笑)

なので、今回から実際に超音波センサPING)))を例にして書きたいと思います。

当方チームGRA・CHAN!に当時教えた内容を改修して(当時のままだとあまりにもヒドイので)書いていきます。
(まぁ、簡単に忘れた!といわれたことが悲しいから書きはじめたというワケですが・・・。)

その為、いつも通り、余計なことも書くので、ちょっと3回ぐらいの長編になりますなぁ。

まぁ、娘達が活動していないので、その代わりのblogネタということで(笑)

今回はほとんど序の序ですので、PING)))のことを書いていない内容になります。
予めご了承下さいませ。

さて、では。

超音波センサPING)))は、ロボカップジュニアに参加しているチームの皆さんなら、大多数の方が使ったことがあると思われる有名なセンサですよね。(NXTユーザーだと使ったことが無いと思いますが・・・。)

超音波の特性を活かして3cm~約3mの距離を測定することができる距離センサです。

マイコンとの接続は簡単で、ひとつのI/OポートとPING)))の信号端子(=SIG)とをつなぐだけで超音波の発信と受信を切り替えて制御する方式のセンサです。

PING)))は、超音波を発射し超音波が測定対象物に反射して帰ってくるまでの時間をパルスの長さで出力します。
このパルス長を測定することにより対象物までの距離を計算できます。

超音波センサPING)))の外観


仕様は、以下のとおりです。

●電源電圧 :5VDC
●消費電流 :平均30mA 最大35mA
●測定範囲 :3cm~3m
●入力トリガ :TTLレベル電圧、5μSのパルス(最小2μS)
●エコーパルス :TTLレベル電圧、115μS~18.5mSのパルスで結果を出力
●エコーホールドオフ時間:750μS(トリガパルスと混同しない為に必要な待ち時間)
●超音波周波数 :40kHz(200μS間)
●センサー動作を表示するLED付き
●次の測定までに必要な待ち時間:200μS

ここで、専門用語が出てきましたね。
当時もここで引っかかったので、そこを書いていきたいと思います。


1つ目、”入力トリガ”。

”トリガ”というのは、簡単に言ってしまうと、100m走とかでいう”よ~い、スタート!”の”スタート!”を意味する信号のことです。

PING)))へ超音波を発信させ距離の計測を開始させる時に入力させる信号(=マイコンが出力する信号)の意味です。


2つ目、”エコーパルス”。

エコー=超音波、パルス=信号と解釈できます。

基本的にパルスとは”一瞬だけ電圧が変化して、そのあと元の電圧に戻る信号”のことです。
つまりPING)))の場合、”最大18.5msの時間幅を持つ”H”という信号を出します。”と解釈すればいいです。


3つ目、”エコーホールドオフ時間”。

PING)))もそうですが、入力トリガを受けたといってもすぐに動作開始は出来ません。
人間も、ものを持つと考えても一瞬で出来ませんよね。
それと同じです。

つまり、その行動を開始するまでの時間と超音波を発信している時間(=PING)))では200μS)、超音波発信中に自分の発振した超音波や前回図で書いたように残響波を拾ってしまう可能性がありますので、超音波発射後はしばらく受信動作を行わない為の時間、という3つの時間を合計した時間のことをいいます。

つまり”この合計時間中は、エコーパルスを出しませんよ!”という時間が”エコーホールドオフ時間”なんです。


4つ目、”TTLレベル電圧”という単語。

今回一番書きたかったことです。

まず”TTL”という単語はまず置いておきますが、”レベル電圧”と書いてありますから”デジタル入力またはデジタル出力をしますよ”といっています。

”TTL”というのは、単純に書けば”ある”か”ない”を判断する基準というか、分かれる境目というか、いわゆる”しきい値(専門用語では”スレッショルドレベル”といいます)”のことです。

つまり”この電圧以上であれば'H'として認識しますよ”という電圧 、”この電圧以下であれば'L'として認識しますよ”という電圧のしきい値が”TTLレベルという基準”といっているのです。

TTLレベルと指定された場合、”H”は2.0V以上、”L”は0.8V以下の電圧レベルであることが最低条件となります。

このPING)))のように5V電源で動くものは、”H”レベルでも2.5~4.5Vくらいと幅が広く(これはICの種類や出力にかかっている負荷によります)、”L”レベルは、ほとんど0Vになります。

ついでに。
TTLレベル以外に、ICによっては”CMOSレベル”という場合があります。

TTLレベルとは違い、かなり曖昧でICによって大きく違います。

どう違うかというと、”H”として認識する最低電圧は0.5~0.7×電源電圧V以上です。
つまり、5V電源で動くものの場合、TTLならば2.0V以上で”H”となりますが、CMOSならば2.5Vから3.5V以上となります。
また”L”として認識する最大電圧は0.8~1.5Vです。 

話がそれました。

なんでこんなこと(TTLレベル電圧の事ね)を書きたかったというと、いくらTTLレベルと書いてあっても、マイコンとの相性もあります。

仮にセンサがTTLレベルで”H”=2.2Vくらいを出力していたとしても、それを受けるマイコン側は2.5V以上でないと”H”して認識しないのであれば”L”と判定してしまいます。
どんなにセンサが”H”とか”L”とかをバタバタ出力させていても、マイコン側から見るとずーっと”L”です。

5Vマイコンでなく3.3Vマイコンを使うと、これに填る時が希にありますのでご注意を(笑)
(今のオリジナル基板移行時に娘達が食らったというのは内緒ですが(爆笑))


PING)))の事例というかなんというか、今回はワケ判らんことだけになっちゃいました。
でも、これって結構大切なんで(笑)


以上、GRA父でした~。
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