VL53L5CX ToF szenzor modul, 8x8 zóna, I2C, 3–5 VDC

A VL53L5CX szenzoros modul egy Time-of-Flight (ToF) távolságkamera, amely a látómezőt legfeljebb 8x8 zónából álló rácsra osztja, és egyszerre adja vissza az egyes zónákban mért távolságot, nem csupán egyetlen értéket, mint a hagyományos távolságérzékelők.

Hasznos akadályérzékelő projektekben mobil robotokhoz, személyek számlálására egy ajtónál, gesztusvezérléshez, egy gép automatikus leállítására, ha kéz közeledik, vagy egy helyiség egyszerű feltérképezésére, mindenhol ott, ahol egyetlen távolságmérés nem elegendő.

Hogyan működik:

A szenzor egy 940 nm-es VCSEL emitterrel láthatatlan lézerfény-impulzusokat bocsát ki, és megméri, mennyi idő alatt ér el a fény a tárgyhoz, majd tér vissza a chipben található SPAD fotodetektor-mátrixhoz.

Minden ToF szenzor alapelve, hogy a távolság egyenlő a fénysebesség és a repülési idő szorzatának felével, vagyis d = (c x t) / 2, ahol c a fénysebesség, megközelítőleg 3 x 10 a 8. hatványon méter per másodperc, t pedig a mért oda-vissza út ideje.

A VL53L5CX esetében ezt a számítást belsőleg, a szenzor saját elektronikája végzi el, az eredmény pedig feldolgozva, milliméterben érkezik I2C-n keresztül a legfeljebb 64 zóna mindegyikére, akár 60 Hz-es frissítési rátával.

A szenzor működhet 4x4 zónás felbontásban egyszerű és gyors alkalmazásokhoz, vagy 8x8 zónás felbontásban a jelenet nagyobb részletességéhez. A maximálisan használható távolság körülbelül 4 méter, a tipikus pontosság a mért távolság nagyjából 5 százaléka, ami függ a célfelület visszaverő képességétől és a környezeti fényviszonyoktól.

Mire lesz szükséged:

• 1 x VL53L5CX ToF szenzor modul, 8x8 zóna, I2C, 3-5 VDC
• 1 x Uno R3 fejlesztői panel WiFi ESP8266-tal, Arduino kompatibilis
• 1 x 40 db Dupont vezeték 20 cm, apa-anya
• 1 x Breadboard 830 pontos MB-102

Csatlakoztatás:

A modul tápellátása a VIN lábon történik 3 - 5 VDC tartományba eső feszültséggel, így közvetlenül csatlakoztatható egy Arduino Uno 5 V-os kimenetére, külön szintillesztő nélkül, mivel a panelen már megtalálható a szabályozó és az SDA és SCL lábakhoz szükséges logikai szintillesztés. Az LPn és INT lábak az alapvető csatlakoztatáshoz opcionálisak, de ebben a tutorialban használjuk őket, hogy bemutassuk, hogyan vezérelhető a szenzor bekapcsolása, és hogyan olvasható le a megszakítás állapota.

Könyvtárak:

Telepítsd a Library Managerből a SparkFun VL53L5CX Arduino Library könyvtárat, szerzője a SparkFun Electronics, minimális verziója 1.0.3, pontosan erre a névre keresve. Az I2C kommunikációhoz szükséges Wire könyvtár már része az Arduino IDE-nek, ezért nem kell külön telepíteni.

A kód:

A következő program inicializálja a szenzort, beállítja a felbontást 8x8 zónára, és a soros monitoron megjeleníti a minden képkockánál beolvasott távolságrácsot.

/*
  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
}

Hogyan működik a kód:

A program elején meghatározzuk az LPN_PIN és INT_PIN lábakat, létrehozzuk a myImager objektumot a SparkFun_VL53L5CX osztályból, valamint a measurementData struktúrát, amelybe a könyvtár a szenzorról beolvasott adatokat helyezi. Az imageResolution és imageWidth változók az aktuális felbontást és a rács oldalhosszát tárolják a rendezett megjelenítéshez.

A setup függvényben elindul a soros kommunikáció 115200 baudon, az LPN_PIN kimenetként van beállítva és HIGH értékre kerül a szenzor aktiválásához, az INT_PIN pedig bemenetként van konfigurálva belső pull-up ellenállással. A Wire.begin után meghívjuk a myImager.begin függvényt, amely inicializálja a szenzort és betölti a belső firmware-t, majd a myImager.setResolution(8 * 8) aktiválja mind a 64 zónát, a myImager.startRanging() pedig elindítja a folyamatos mérést.

A loop függvényben először az INT_PIN lábának állapotát ellenőrizzük, csak azért, hogy megmutassuk, a szenzor aktívan jelez új adatokat. Ezután a myImager.isDataReady() függvénnyel megtudjuk, mikor van kész egy új képkocka, a myImager.getRangingData(&measurementData) pedig mm-ben behozza a távolságértékeket a measurementData.distance_mm vektorba, amelyet a program soronként bejár, hogy megjelenítse a rácsot a soros monitoron.

Eredmény:

Nyisd meg a soros monitort 115200 baudon. A kód feltöltése és a szenzor inicializálása után időnként egy 8x8 értékből álló rácsot fogsz látni, amelyben minden érték a látómező adott zónájában mért távolságot jelenti milliméterben.

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

Gyakori problémák:

Ha a soros monitoron az az üzenet jelenik meg, hogy a szenzor nem található, először ellenőrizd az SDA és SCL csatlakozásokat, mivel a felcserélt vezetékek a leggyakoribb ok, és győződj meg arról, hogy az LPn HIGH szinten van, nem lebeg és nincs földre kötve.

Ha a megjelenített értékek mindig 0 vagy nagyon nagyok és ingadozók, ellenőrizd, hogy meghívtad-e a myImager.startRanging() függvényt a felbontás beállítása után, és hogy hagysz-e egy kis delay-t az olvasások között. Az isDataReady ellenőrzése nélküli, túl gyors loop függvény részleges képkockákat olvashat.

Ha a modul az első indításkor helyesen működik, de egy idő után lefagy, ellenőrizd a tápellátást. Egy túl vékony VIN vezeték vagy egy instabil tápforrás a szenzor újraindulását okozhatja, főleg ha több I2C modul van ugyanazon a buszon.

Ha több VL53L5CX szenzort használsz ugyanazon az I2C buszon, és csak az egyik válaszol, tartsd az LPn lábat LOW szinten az összes szenzornál, kivéve egyet, változtasd meg annak I2C címét a kódban, majd egymás után aktiváld a következő szenzort is, mivel mindegyiknek egyedi címre van szüksége.

Ha a leolvasott távolságok eltérnek a mérőszalaggal végzett méréstől, vedd figyelembe, hogy a szenzor a célfelületre merőleges távolságot jelenti, nem az egyenes vonalú távolságot egy szögben elhelyezkedő pontig. A nagyon fényvisszaverő vagy nagyon sötét színű felületek csökkenthetik a használható hatótávolságot.

Korlátok és tippek:

A szenzor körülbelül 4 méterig használható távolságokat mér, tipikusan a távolság nagyjából 5 százalékos pontossággal, amely erős, közvetlen napfényben a célfelületen vagy az optikán romlik.

A 60 Hz-es ráta elméleti maximum, amely főleg 4x4 felbontásnál érhető el. 8x8 zónánál a képkockánkénti feldolgozási idő nagyobb, ezért gyors alkalmazásokhoz válaszd a 4x4 felbontást, ha nincs szükséged a jelenet finom részletességére.

Az optikai védőburkolatot tisztán kell tartani, mert a por vagy az ujjlenyomatok mérési hibákat okozhatnak, vagy csökkenthetik a szenzor hatótávolságát.

Ebből az alapáramkörből kiindulva építhetsz egy többzónás jelenlétérzékelőt, egy egyszerű akadálykerülő rendszert mobil robothoz, vagy egy ajtókereten áthaladó személyek számlálására szolgáló alkalmazást, a 64 zónás rácsot felhasználva több cél megkülönböztetésére ugyanabban a látómezőben.