ToF-Sensormodul VL53L5CX, 8x8-Zonen, I2C, 3–5 VDC

Das Modul mit dem Sensor VL53L5CX ist eine Time-of-Flight-Kamera (ToF) zur Abstandsmessung. Sie teilt das Sichtfeld in ein Raster von bis zu 8x8 Zonen auf und liefert gleichzeitig den gemessenen Abstand in jeder Zone, nicht nur einen einzelnen Wert wie klassische Abstandssensoren.

Es ist nützlich in Projekten zur Hinderniserkennung für mobile Roboter, zum Zählen von Personen an einer Tür, für Gestensteuerung, zum automatischen Anhalten einer Maschine, wenn sich eine Hand nähert, oder für die einfache Kartierung eines Raums, überall dort, wo eine einzelne Abstandsmessung nicht ausreicht.

So funktioniert es:

Der Sensor sendet mit einem VCSEL-Emitter bei 940 nm Impulse unsichtbaren Laserlichts aus und misst, wie lange das Licht braucht, um das Objekt zu erreichen und zur SPAD-Fotodetektor-Matrix im Inneren des Chips zurückzukehren.

Das Grundprinzip jedes ToF-Sensors lautet: Der Abstand ist gleich der Lichtgeschwindigkeit multipliziert mit der Flugzeit und geteilt durch zwei, also d = (c x t) / 2. Dabei ist c die Lichtgeschwindigkeit, ungefähr 3 x 10 hoch 8 Meter pro Sekunde, und t die gemessene Zeit für Hin- und Rückweg.

Beim VL53L5CX wird diese Berechnung intern von der eigenen Elektronik des Sensors durchgeführt. Das Ergebnis kommt fertig verarbeitet über I2C, in Millimetern, für jede der bis zu 64 Zonen, mit einer Rate von bis zu 60 Hz.

Der Sensor kann in der Auflösung 4x4 Zonen arbeiten, für einfache und schnelle Anwendungen, oder mit 8x8 Zonen für mehr Detail der Szene. Die maximal nutzbare Entfernung beträgt etwa 4 Meter, mit einer typischen Genauigkeit von rund 5 Prozent der gemessenen Entfernung, abhängig vom Reflexionsgrad des Ziels und von den Umgebungslichtbedingungen.

Was du brauchst:

• 1 x ToF-Sensormodul VL53L5CX 8x8 Zonen, I2C, 3-5 VDC
• 1 x Entwicklungsboard Uno R3 mit WLAN ESP8266, Arduino-kompatibel
• 1 x 40 Dupont-Kabel 20 cm, Stecker-Buchse
• 1 x Breadboard 830 Kontakte MB-102

Anschluss:

Das Modul wird am Pin VIN mit einer Spannung im Bereich von 3 - 5 VDC versorgt. Es kann daher direkt an den 5-V-Ausgang eines Arduino Uno angeschlossen werden, ohne zusätzlichen Pegelwandler, da die Platine bereits den Regler und die nötige Anpassung des Logikpegels für SDA und SCL besitzt. Die Pins LPn und INT sind für einen einfachen Anschluss optional, wir verwenden sie in diesem Tutorial aber, um zu zeigen, wie man das Einschalten des Sensors steuert und wie man den Interrupt-Zustand auslesen kann.

Bibliotheken:

Installiere über den Library Manager die Bibliothek SparkFun VL53L5CX Arduino Library von SparkFun Electronics, mindestens in Version 1.0.3, und suche dabei genau nach diesem Namen. Die Bibliothek Wire für die I2C-Kommunikation ist bereits in der Arduino IDE enthalten und muss nicht separat installiert werden.

Der Code:

Das folgende Programm initialisiert den Sensor, stellt die Auflösung auf 8x8 Zonen ein und zeigt im seriellen Monitor bei jedem Frame das Raster der gemessenen Abstände an.

/*
  VL53L5CX 8x8 Multizone Time-of-Flight Sensor - Basic Reading Example
  Board: Arduino Uno
  Library: SparkFun VL53L5CX Arduino Library (by SparkFun Electronics)
  This sketch initializes the VL53L5CX sensor over I2C, sets the
  resolution to 8x8 zones and continuously prints the distance grid
  (in millimeters) to the Serial Monitor.
*/
#include <Wire.h>
#include <SparkFun_VL53L5CX_Library.h>
// Pins used to control the sensor from the Arduino Uno
const int LPN_PIN = 3; // Low power / enable pin, HIGH = sensor enabled
const int INT_PIN = 2; // Interrupt output pin from the sensor
SparkFun_VL53L5CX myImager;
VL53L5CX_ResultsData measurementData; // Holds one frame of ranging data
int imageResolution = 0; // Current resolution reported by the sensor (16 or 64)
int imageWidth = 0;      // Grid width used only for pretty printing
void setup()
{
  Serial.begin(115200);
  delay(1000);
  Serial.println("VL53L5CX 8x8 Zone Distance Example");
  // Configure control pins
  pinMode(LPN_PIN, OUTPUT);
  digitalWrite(LPN_PIN, HIGH); // Enable the sensor (LPn HIGH = normal operation)
  pinMode(INT_PIN, INPUT_PULLUP);
  Wire.begin();
  Wire.setClock(400000); // Optional, use 400kHz I2C for faster frame transfer
  Serial.println("Initializing sensor, this can take up to 10 seconds...");
  if (myImager.begin() == false)
  {
    Serial.println("Sensor not found - check wiring and LPn pin. Freezing.");
    while (1)
      ;
  }
  myImager.setResolution(8 * 8); // Enable all 64 zones
  imageResolution = myImager.getResolution(); // Confirm resolution (16 or 64)
  imageWidth = sqrt(imageResolution);         // 4 or 8
  myImager.startRanging();
  Serial.println("Sensor ready, starting measurements.");
}
void loop()
{
  // Just for demonstration, read the interrupt pin state
  bool interruptActive = (digitalRead(INT_PIN) == LOW);
  if (myImager.isDataReady())
  {
    if (myImager.getRangingData(&measurementData))
    {
      Serial.print("Interrupt active: ");
      Serial.println(interruptActive ? "yes" : "no");
      // Print the distance grid, row by row
      for (int row = 0; row < imageWidth; row++)
      {
        for (int col = 0; col < imageWidth; col++)
        {
          int index = row * imageWidth + col;
          Serial.print(measurementData.distance_mm[index]);
          Serial.print("\t");
        }
        Serial.println();
      }
      Serial.println();
    }
  }
  delay(50); // Small delay between polling cycles
}

Wie der Code funktioniert:

Am Anfang des Programms werden die Pins LPN_PIN und INT_PIN definiert. Außerdem werden das Objekt myImager der Klasse SparkFun_VL53L5CX und die Struktur measurementData erstellt, in die die Bibliothek die vom Sensor gelesenen Daten ablegt. Die Variablen imageResolution und imageWidth speichern die aktuelle Auflösung und die Seitenlänge des Rasters für eine geordnete Ausgabe.

In der Funktion setup wird die serielle Kommunikation mit 115200 Baud gestartet. LPN_PIN wird als Ausgang konfiguriert und auf HIGH gesetzt, um den Sensor zu aktivieren, und INT_PIN wird als Eingang mit internem Pull-up konfiguriert. Nach Wire.begin wird myImager.begin aufgerufen, das den Sensor initialisiert und die interne Firmware lädt. Danach aktiviert myImager.setResolution(8 * 8) alle 64 Zonen und myImager.startRanging() startet die kontinuierlichen Messungen.

In der Funktion loop wird zuerst der Zustand des Pins INT_PIN geprüft, nur um zu zeigen, dass der Sensor aktiv neue Daten meldet. Anschließend wird mit myImager.isDataReady() festgestellt, wann ein neuer Frame bereit ist, und myImager.getRangingData(&measurementData) holt die Abstandswerte in mm in das Array measurementData.distance_mm. Das Programm durchläuft es Zeile für Zeile, um das Raster im seriellen Monitor auszugeben.

Ergebnis:

Öffne den seriellen Monitor mit 115200 Baud. Nach dem Hochladen des Codes und der Initialisierung des Sensors siehst du regelmäßig ein Raster aus 8x8 Werten. Jeder Wert gibt den in Millimetern gemessenen Abstand in der jeweiligen Zone des Sichtfelds an.

VL53L5CX 8x8 Zone Distance Example
Initializing sensor, this can take up to 10 seconds...
Sensor ready, starting measurements.
Interrupt active: no
512    498    505    511    620    615    609    598
520    501    499    507    611    602    598    590
530    510    495    500    600    590    585    580
545    522    501    498    588    579    570    565
560    535    510    495    575    566    560    552
578    548    520    500    562    555    548    540
595    562    530    505    550    542    535    528
610    578    540    512    540    532    525    518

Häufige Probleme:

Wenn im seriellen Monitor die Meldung erscheint, dass der Sensor nicht gefunden wurde, prüfe zuerst die Verbindungen SDA und SCL, denn vertauschte Leitungen sind die häufigste Ursache. Stelle außerdem sicher, dass LPn auf HIGH liegt und weder offen (floating) noch mit Masse verbunden ist.

Wenn die angezeigten Werte immer 0 oder sehr groß und instabil sind, prüfe, ob du myImager.startRanging() nach dem Einstellen der Auflösung aufgerufen hast und ob du eine kleine Pause (delay) zwischen den Messungen lässt. Eine zu schnelle Funktion loop ohne Prüfung mit isDataReady kann unvollständige Frames lesen.

Wenn das Modul beim ersten Start korrekt funktioniert, nach einiger Zeit aber hängen bleibt, prüfe die Spannungsversorgung. Ein zu dünnes VIN-Kabel oder eine instabile Quelle kann Resets des Sensors verursachen, besonders wenn mehrere I2C-Module am selben Bus hängen.

Wenn du mehrere VL53L5CX-Sensoren am selben I2C-Bus verwendest und nur einer antwortet, halte LPn bei allen Sensoren außer einem auf LOW und ändere dessen I2C-Adresse im Code. Aktiviere dann nacheinander den nächsten Sensor, denn jeder braucht eine eindeutige Adresse.

Wenn die gemessenen Abstände von einer Messung mit dem Maßband abweichen, beachte, dass der Sensor den senkrechten Abstand zur Zieloberfläche meldet und nicht die Entfernung in gerader Linie zu einem Punkt unter einem Winkel. Sehr stark reflektierende oder sehr dunkle Oberflächen können die nutzbare Reichweite verringern.

Einschränkungen und Tipps:

Der Sensor misst nutzbare Entfernungen von bis zu etwa 4 Metern, mit einer typischen Genauigkeit von rund 5 Prozent der Entfernung. Sie sinkt bei starkem, direktem Sonnenlicht auf dem Ziel oder auf dem Objektiv.

Die Rate von 60 Hz ist ein theoretisches Maximum, das vor allem bei der Auflösung 4x4 zur Verfügung steht. Bei 8x8 Zonen ist die Verarbeitungszeit pro Frame länger. Wähle für schnelle Anwendungen daher die Auflösung 4x4, wenn du kein feines Detail der Szene brauchst.

Die optische Schutzabdeckung muss sauber gehalten werden, denn Staub oder Fingerabdrücke darauf können Messfehler verursachen oder die Reichweite des Sensors verringern.

Ausgehend von diesem Grundaufbau kannst du einen Anwesenheitsdetektor mit mehreren Zonen, ein einfaches System zur Hindernisvermeidung für einen mobilen Roboter oder eine Anwendung zum Zählen von Personen bauen, die durch einen Türrahmen gehen. Dabei nutzt du das Raster mit 64 Zonen, um mehrere Ziele im selben Sichtfeld zu unterscheiden.