概要
今回は前の電子工作４１でのブザー音パターンの代わりに超音波パターンを送って、それを受信・解読してスイッチをON/OFFさせる実験を試みた。
実験の目的は：
（１） 超音波なので無音であり、人様の迷惑にならない。
（２） 音の場合に比べ通信距離が延びるのではないか。
（３） 超音波のこと、超音波センサのことをもっと知る。
超音波センサ： T40-16 (送信用)、R40-16 (受信用) （秋月で￥６００で購入）。両者とも４０KHｚで動作。極性がありピンの付け根が黒い方がプラスである。２０Vまで電圧がかけられるようである。
回路
発信器
下に超音波パターン発生器の回路を示す。 この超音波センサT40-16は４０KHｚで動作するので、その周波数を発生できるPWM（Pulse Width Modulation）機能を持つ１６F628Aを使った。また、T40-16のパワーを上げるため９Vの電池を別電源として用いトランジスタで駆動した。Input SWを押しとT40-16から超音波パターン発生が発生する。
受信器
この回路は電子工作４０や４１で使われているものと原則同じである。ただマイクを超音波センサR40-16に代えてある。
実験中―左のボードが発信側、右が受信側。 一番下に送信と受信用の超音波センサが向かい合って定規の上に乗っているのが見える。
上の回路では、SSRやLED（Green）は便宜上点滅型LEDに代えてある。発信側からの信号を正しく受け取る毎に、Toggle機能でこのLEDは点滅と消灯を繰り返す。
波形の解析
（波形１） プログラムの中で赤外線搬送波の３８KHｚをハードウエアPWMを使って出力するための設定値を一部変えることによって、以下のような４０KHｚ＋aを出力できるようになった（電子工作３３参照）。具体的にはPR2＝２５（for３８KHｚ）からPR2=24に変えた。この値は大きくすると出力周波数が小さくなる。人間の耳に聞こえない４０．８１KHｚのこの波形パターンを出すと受信側のセンサR40-16が反応するのである。
（波形２） これは超音波パターン発生器のInput SWを押すと内蔵プログラムに基づいて発生する３つの疑似方形波の連続パターンを拡大したもので、送信側の超音波センサ（T40-16）の＋端子とGND間をオシロのAC出力モード測ったものである。４０KHｚ波の部分の幅は約１００ｍｓで、その間の空白部分の幅は約２００ｍｓである。プログラムで設定したPause
100, Pause 200 に対応する。
（波形３） 上と同じ要領で、ただし、この場合はオシロのDC出力モードで測定したものである。
（波形４） 上に示したような３つ山の方形波パターンが送信側の超音波センサT40-16から、一定距離だけ離れて置かれた受信側の超音波センサR40-16に入りと下に示すような方形波パターンになり１２F62９で処理される。 このパターンは超音波パターンを受けてON/OFFするスイッチのポイント（C）で計測した。 ３つの方形波の各幅は１３５−１５５msで、２つの方形波間の幅もほぼ同じ値である。この図はInput SWを適当な間隔で３度押した場合である。
プログラム
超音波パターン発生器用プログラム
１６F628Aに備わっているハードウエアPWM機能を使って４０KHｚを出力するにはプログラムの中で関連する設定値を以下のように決めてやる必要がある。ここでPR2=25にすると赤外線リモコンで使用する搬送波３８KHｚが出力される。
|
CMCON=7 VRCON=0 TRISB=%11110110 PR2=24 CCPR1L=13 CCP1CON=%00001100 T2CON=%00000100 |
コンパレータ不使用 A/D 参考電圧不使用 PWM （RB3）を出力ポートに設定 PWM を 40.KHzに設定 PWMのduty cycleを 50%に設定 PWMモードの選択（ON/OFF） Timer2 ON + 1:1 プリスケーラ |
上に示した波形４のようなパターンを受け取る側の１２F６２９のGP0（Pin7）に入力できるようにするには、送り手側のこのプログラムで下のような手順が必要である。
１） Input SWからの入力があったら次の２）に進み、なければ待つ。
２） CCP1CON=%00001100 （PWM発生ON）にして４０KHｚ波を１００ｍｓ発生させる。
３） 次にCCP1CON=%00000000 （PWM発生OFF）にして４０KHｚ波の発生を２００ｍｓ停止させる。
４） 上の２）、３）の過程を３回繰り返して３つの方形波を発生させる。
'********* プログラム ************
'UltraSoundPWM40KHz1.bas 2010.5.30 works OK!
'PIC16F628A
'******** ピン接続 ************
'Pin 14 - Vdd (5V)
'Pin 5 - Vss (GND)
'Pin 4 - /MCLR (Reset) connected to Vdd via 4.7K
'Pin 7 - RB1 connected to Input SW
'Pin 9 - RB3 connected to TR driving a ultrasonic sensor (T40-16)
'******** プログラム本体 ********
CMCON=7 'No comparator 以下７行の設定が４０KHｚ波発生の要
VRCON=0 'A/D voltage reference disabled
TRISB=%11110110 'RB3 - PWM output
PR2=24 'Set PWM for 40 KHz
CCPR1L=13 'Set PWM for 50% duty cycle
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection
T2CON=%00000100 'Timer2 ON + 1:1 prescale
InputSW var PORTB.1 'Input SW
InputSWLoop:
CCP1CON=%00000000 'PWM OFF
If InputSW=0 then Loop ‘Input SWの入力を待つ
Goto InputSWLoop
Loop:
CCP1CON=%00001100 'PWM ON ４０KHｚ波を１００ｍｓ発生させる
Pause 100
CCP1CON=%00000000 'PWM OFF ４０KHｚ波の発生を２００ｍｓ停止させる。以下３回繰り返す。３つの方形波が発生する。
Pause 200
CCP1CON=%00001100 'PWM ON
Pause 100
CCP1CON=%00000000 'PWM OFF
Pause 200
CCP1CON=%00001100 'PWM ON
Pause 100
CCP1CON=%00000000 'PWM OFF
Pause 200
'GOTO InputSWLoop
'******** プログラムの終了 ********
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations:
'OSC - INTOSCIO; WDTE - Enable;
Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; Low voltage Programming - Disable, Code – Not Protect, Data EEPROM- Not Protect
'
超音波パターンを受けてON/OFFするスイッチ用プログラム
このプログラムは電子工作４１の改良した'SoundSensorBuzzA１.basとほぼ同じである。１２F629のGP0（Pin7）に入ってくる方形波の幅と２つの方形波間のの幅が多少異なるのでその部分を少し変えた。
'********* プログラム ************
'SoundSensorBuzzA1U.bas - 2010.5.31 Program to use the Ultrasound sensors!
'12F629.
'******** ピン接続 ************
'Pin 1: Vdd (5V)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 7: GPIO.0: input
'Pin 4: input - MCLR
'Pin 2: output - to LED (R) via R
'Pin 3: output - to LED (G) via R or SSR (Solid State Relay)
'******** プログラム本体 ********
CMCON=7 'Comparator off
TRISIO=%001001 'all outputs except GPIO.0 & 3
D1 var byte 'declaring variable D1 (1 or 0)
D2 var byte
D3 var byte
D4 var byte
D5 var byte
D6 var byte
D7 var byte
D8 var byte
D9 var byte
D10 var byte
D11 var byte
D12 var byte
HorLdata var GPIO.0 'Input from invertor (TC4069) ‘H or L data
LED var GPIO.5 'Indicator when a pulse is accepted
LEDorSSR var GPIO.4 'For driving LED or SSR
I var byte 'I is used for FOR .. NEXT.
I=0
HorLdata=0
LEDorSSR=0
LED=0
Start:
If HorLdata=1 then ReadData 'Wait A peak最初の方形波A（H）が来るまでここで待つ
Goto Start
ReadData:
Pause 50 '50ms待つ
D1=HorLdata ‘データ収集
Pause 50 '50ms待つ
D2=HorLdata ‘データ収集
If D1=1 and D2=1 then Check1 'If both are H, go to Check1両者ともＨなら最初の方形波と確認しCheck１へ
Goto Start
Check1:
For I=1 to 20 'Wait the L-section while moving 10ms per I cycle. 10x20=200ms-this value must be sufficiently large. １０ｍｓづづ進めてＬ−ｓectionを探す
Pause 10
If HorLdata=0 then Check2 ‘見つかったCheck2へ
Next I
Goto Start
Check2:
Pause 50 'Checking the L-section between A and B peaks 方形波ＡとＢ間のＬ−ｓｅｃｔｉｏｎで５０ｍｓ間隔で２回チェックしている
D3=HorLdata
Pause 50
D4=HorLdata
If D3=0 and D4=0 then Check3 'If both are L, go to Check3 両者ともLならL-sectionと確認しCheck３へ
Goto Start
Check3:
For I=1 to 20 'Wait B peak ２番目の方形波Ｂを待つ
Pause 10
If HorLdata=1 then Check4
Next I
Goto Start
Check4:
Pause 50 'Checking B peak
D5=HorLdata
Pause 50
D6=HorLdata
If D5=1 and D6=1 then Check5
Goto Start
Check5:
For I=1 to 20 'Wait the L-section
Pause 10
If HorLdata=0 then Check6
Next I
Goto Start
Check6:
Pause 50 'Checking the L-section between B and C peaks
D7=HorLdata
Pause 50
D8=HorLdata
If D7=0 and D8=0 then Check7
Goto Start
Check7:
For I=1 to 20 ''Wait C peak
Pause 10
If HorLdata=1 then Check8
Next I
Goto Start
Check8:
Pause 50 'Checking C peak
D9=HorLdata
Pause 50
D10=HorLdata
If D9=1 and D10=1 then Check9
Goto Start
Check9:
For I=1 to 20 'Wait the L-section after C peak
Pause 10
If HorLdata=0 then Check10
Next I
Goto Start
Check10:
Pause 50 'Checking the L-section after C peak ３番目の方形波Ｃの後のＬ−ｓectionを待つ
D11=HorLdata
Pause 50
D12=HorLdata
If D11=0 and D12=0 then Jump 'If both are L, go to Jump. D11とD12ともＬならＬ−ｓectionと確認しJumpへ飛ぶ、そうでなければStartへ戻る
Goto Start
Jump: ‘以下でLEDを点灯したりSSRを駆動したりする
High LED 'Turn on LED データが受け入れられた時LED（Red）が２００ｍｓ間一時的に点灯する
Toggle LEDorSSR ‘データが受け入れられる毎にLED（Green） またはSSR出力が反転する
Pause 200 'Wait 200ms
Low LED 'Turn off LED
GOTO Start
End
'******** プログラムの終了 ********
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations:
'FOSC - INTOSC; WDTE - Enable;
Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset
; BODEN - Enable; CD - Disable; CDP - Disable.
結論など
１） プログラムで作成した方形波パターンを送受信用超音波センサを使って送り、スイッチをON/OFFすることができた。
２） ２つの送受信用超音波センサ間の送受信距離は比較的短く、センサを駆動する電圧によっても変化する。下表に測定結果をまとめた。例えば、９Vで１．５−１０ｃｍの間に送受信超音波センサ間が向かい合って置かれている場合に通信が可能になる。指向性が高く、方向に非常に敏感である。センサ間に指など入れると一瞬にして通信は遮断される。
３） 今回使った送受信用超音波センサは超音波を発射しその反射をとらえて利用するのが普通のようで、自動ドアの来客検知、距離測定などに応用されているようだ。したがってこの実験のような使い方は珍しいかもしれない。
|
駆動電圧（V） |
最小距離（ｃｍ） |
最大距離（ｃｍ） |
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9（電池） |
1.5 |
10 |
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12 |
3 |
15 |
|
15 |
4 |
20 |
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18 |
5 |
23 |
４） さて何に使えるだろうか。しばらく考えてみたい。
５） 超音波の挙動はオシロ無しで全く分からず、オシロの有難味が良くわかった。
６） 超音波のいろんな波形パターンを組み合わせれば赤外線通信と似たようなことが出来そう。ただその場合のメリットは？
７） とにかくハードウエアPWMの設定値を操作していろんな周波数の波を自由に出せることが分かったこと、波形パターンを読むプログラムロジックがよく動作することを確信出来たなどジジイには大変良い勉強になった。 完
改良したプログラム（２０１０．６．３）
上記（波形４）の３つの方形波のパターン幅が１５０ｍｓｘ３＋１５０ｍｓｘ２＝７５０ｍｓほどある。それだけ送信に時間がかかることになる。それを短くすることが出来ないか検討した。回路にＣｄＳ−ＬＥＤアナログ・フォトカプラを使っているので速度が遅く応答出来ないことが懸念された。いろいろ試した結果、送信プログラムの中の４０KHｚ波の送信時間をＰａｕse５（＝５ｍｓ）とし、４０KHｚ波を送信しない時間をＰａｕse７０（＝７０ｍｓ）と設定することによって受信側の回路図のポイント（C）で計測した波形パターンがほぼ理想に近いものとなった。すなわち、各方形波の幅と方形波間の幅が３５−３６ｍｓ前後で、３つの方形波のパターン幅が２００ｍｓ弱でできた。つまり、７５０ｍｓの約４分の１の時間で１つの信号が送れる。これは１度に送れる方形波の数を増やせることを意味し、方形波の山とＬ−ｓectionの谷を組み合わせていろんな信号を送れるようになる。
結果など
１） 送信時間が４分の１に短縮され、きびきび応答する。
２） 送信側に複数個のＳＷを設けて、干渉なく複数個の信号が送れる。
３） ＣｄＳ−ＬＥＤアナログ・フォトカプラが数ｍｓ単位の信号にも応答することが分かった。
４） 二つの送受信超音波センサ間の応答可能な距離に関しては微妙な結果が出た。大型のプラスチックトレーの１辺（長さ５０ｃｍ、深さ１．５ｃｍ）の端内面に沿って２個のセンサを相対応させ応答可能な距離を測った場合と両者とも空間に浮かした状態で測った場合とで応答可能な距離が大きく違うのである。前者の場合が大きい値がでた。反響とか反射とかの要因が関わっているようだ。二つの送受信超音波センサを筒状のもので包んだら距離が延びるかも知れない。実験用に別途購入してあった超音波帯域用トランスデューサーＡＴ４０−１０ＰＢ３（送受信兼用、秋月で１個￥１５０）をＴ４０−１６とＲ４０−１６に代えてテストしてみた。空間に浮かした状態で測った場合わずか１．５ｃｍが応答可能な距離であった。
|
駆動電圧（V） |
最小距離（ｃｍ） |
最大距離（ｃｍ）* |
|
9（電池） |
０．６ |
1４（５） |
|
12 |
０．８ |
２２（８．５） |
|
15 |
１．５ |
２８（１２） |
|
18 |
２ |
３３（１４） |
* 括弧内の値は２個の送受信センサを空間に浮かした状態で測った場合
５） ４０KHｚ波の送信時間をＰａｕseＸ（＝Ｘｍｓ）とし、４０KHｚ波を送信しない時間をＰａｕseＹした場合のＸ，Ｙの設定は、途中にいろんなデバイスが入るのでイメージ通りにはいかなかった。下の（波形７）のような受け側で処理し易い波形を得るために、Ｘ＝５−６０（ｍｓ）、Ｙ＝６０−１２０（ｍｓ）の範囲で動かして実験し、今回の値を決めた。
６） プログラムは前のものからわずかに変えた。 送信側： Pause 500導入, Ｐａｕｓｅ 100 -> 5, Pause 200 ->70, 受信側： Pause 50 -> 10, Ｐａｕｓｅ 10 -> 5
（波形５）これは超音波パターン発生器のInput SWを押した時に発生する３つの疑似方形波の連続パターンを拡大したもので、送信側の超音波センサ（T40-16）の＋端子とGND間をオシロのＤC出力モード測ったものである。４０KHｚ波の部分の幅は約５−７ｍｓで、その間の空白部分の幅は約７０ｍｓである。プログラムで設定したPause
５, Pause ７０ に対応する。
（波形６） 上記（波形５）の４０KHｚ波の送信時の５ｍｓ区間をオシロのスケールを細かくして拡大したものである。オシロのＤC出力モード測った。４９５０ms=４．９５ｍｓとほぼ５ｍｓになっている。この部分の中にある各方形波の波幅は２５msである。この区間に５，０００mｓ/２５mｓ＝２００個存在する。
（波形７） これらのパターンは超音波パターンを受けてON/OFFするスイッチのポイント（C）で計測した。 ３つの方形波の各幅は３５−36msで、２つの方形波間の幅もほぼ同じ値である。この図はInput SWを適当な間隔で３度押した場合である。 なお、Input SWを押し続けた場合は３つの方形波のパターンが５００ｍｓ間隔で出現するようにしたある。
プログラム
超音波パターン発生器用プログラム
'UltraSoundPWM40KHz2.bas 2010.6.2 The width between Peaks A and C was shortened to around 200ms. Works OK!
'PIC16F628A
'****** Pin connection ******
'Pin 14 - Vdd (5V)
'Pin 5 - Vss (GND)
'Pin 4 - /MCLR (Reset) connected to Vdd via 4.7K
'Pin 7 - RB1 connected to Input SW
'Pin 9 - RB3 connected to Tr driving a ultrasonic sensor (T40-16)
'******* Program ******
CMCON=7 'No comparator
VRCON=0 'A/D voltage reference disabled
TRISB=%11110110 'RB3 - PWM output
PR2=24 'Set PWM for 40 KHz (25:38KHz)
CCPR1L=13 'Set PWM for 50% duty cycle
CCP1CON=%00001100 'PWM mode selection
T2CON=%00000100 'Timer2 ON + 1:1 prescale
InputSW var PORTB.1 'Input SW
InputSWLoop:
Pause 500 'Giving 500ms-space between 3-peak pulses when Input SW was kept pressed 出力される３つの方形波パターン間に５００ｍｓのスペースを入れＩｎｐｕｔＳＷを押し続けた時の干渉を防ぐ
CCP1CON=%00000000 'PWM OFF
If InputSW=0 then Loop
Goto InputSWLoop
Loop: 'Produce 3 peakes
CCP1CON=%00001100 'PWM ON for 5ms
Pause 5 ‘今回新たに設定 (was 100)
CCP1CON=%00000000 'PWM OFF for 70ms. These two values 5ms and 70ms were decided on a trial and error basis.
Pause 70 ‘今回新たに設定 (was 200)
CCP1CON=%00001100 'PWM ON
Pause 5
CCP1CON=%00000000 'PWM OFF
Pause 70
CCP1CON=%00001100 'PWM ON
Pause 5
CCP1CON=%00000000 'PWM OFF
Pause 70
GOTO InputSWLoop
'****** End of program ******
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations:
'OSC - INTOSCIO; WDTE - Enable;
Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; Low voltage Programming - Disable, Code – Not Protect, Data EEPROM- Not Protec
超音波パターンを受けてON/OFFするスイッチ用プログラム
'SoundSensorBuzzA1U1.bas - 2010.6.2 The width between Peaks A and C was shortened to around 200ms. Works well!
'12F629.
'********Pin connections************
'Pin 1: Vdd (5V)
'Pin 8: Vss (GND)
'Pin 7: GPIO.0: input
'Pin 4: input - MCLR
'Pin 2: output - to LED (R) via R
'Pin 3: output - to LED (G) via R or SSR (Solid State Relay)
'****** Program ********
CMCON=7 'Comparator off
TRISIO=%001001 'all outputs except GPIO.0 & 3
D1 var byte 'declaring variable D1 (1 or 0)
D2 var byte
D3 var byte
D4 var byte
D5 var byte
D6 var byte
D7 var byte
D8 var byte
D9 var byte
D10 var byte
D11 var byte
D12 var byte
HorLdata var GPIO.0 'Input from invertor (TC4069)
LED var GPIO.5 'Indicator when a pulse is accepted
LEDorSSR var GPIO.4 'For driving LED or SSR
I var byte 'I is used for FOR .. NEXT.
I=0
HorLdata=0
LEDorSSR=0
LED=0
Start:
If HorLdata=1 then ReadData 'Wait A peak
Goto Start
ReadData:
Pause 10 '10ms 今回波幅が狭まったので小さくした (was 50ms)
D1=HorLdata
Pause 10
D2=HorLdata
If D1=1 and D2=1 then Check1 'If both are H, go to Check1
Goto Start
Check1:
For I=1 to 20 'Wait the L-section while moving 5ms per I cycle. 5x20=100ms-this value must be sufficiently large.
Pause 5 '5ms 今回波幅が狭まったので小さくした (was 10ms)
If HorLdata=0 then Check2
Next I
Goto Start
Check2:
Pause 10 'Checking the L-section between A and B peaks
D3=HorLdata
Pause 10
D4=HorLdata
If D3=0 and D4=0 then Check3 'If both are L, go to Check3
Goto Start
Check3:
For I=1 to 20 'Wait B peak
Pause 5
If HorLdata=1 then Check4
Next I
Goto Start
Check4:
Pause 10 'Checking B peak
D5=HorLdata
Pause 10
D6=HorLdata
If D5=1 and D6=1 then Check5
Goto Start
Check5:
For I=1 to 20 'Wait the L-section
Pause 5
If HorLdata=0 then Check6
Next I
Goto Start
Check6:
Pause 10 'Checking the L-section between B and C peaks
D7=HorLdata
Pause 10
D8=HorLdata
If D7=0 and D8=0 then Check7
Goto Start
Check7:
For I=1 to 20 'Wait C peak
Pause 5
If HorLdata=1 then Check8
Next I
Goto Start
Check8:
Pause 10 'Checking C peak
D9=HorLdata
Pause 10
D10=HorLdata
If D9=1 and D10=1 then Check9
Goto Start
Check9:
For I=1 to 20 'Wait the L-section after C peak
Pause 5
If HorLdata=0 then Check10
Next I
Goto Start
Check10:
pause 50 'Checking the L-section after C peak, which must be at least 100ms
D11=HorLdata
Pause 50
D12=HorLdata
If D11=0 and D12=0 then Jump 'If both are L, go to Jump.
Goto Start
Jump:
High LED 'Turn on LED
Toggle LEDorSSR
Pause 200 'Wait 200ms
Low LED 'Turn off LED
GOTO Start
End
'****** End of program ******
'Note:
'melabs U2 Programmer's
configurations:
'FOSC - INTOSC; WDTE - Enable;
Power-up Timer - Disable
'MCLRpin – Reset ; BODEN - Enable; CD - Disable; CDP – Disable
.