Modulo sensore ToF VL53L5CX 8x8 zone, I2C, 3-5 VDC

Il modulo con sensore VL53L5CX è una camera di distanza Time-of-Flight (ToF) che divide il campo visivo in una griglia fino a 8x8 zone e restituisce simultaneamente la distanza misurata in ogni zona, non un solo valore come i sensori di distanza classici.

È utile nei progetti di rilevamento ostacoli per robot mobili, conteggio di persone a una porta, controllo gestuale, arresto automatico di un macchinario all'avvicinarsi di una mano o mappatura semplice di una stanza, dove una singola lettura di distanza non è sufficiente.

Come funziona:

Il sensore emette impulsi di luce laser invisibile con un emettitore VCSEL a 940 nm e misura quanto tempo impiega la luce a raggiungere l'oggetto e a tornare alla matrice di fotorilevatori SPAD all'interno del chip.

Il principio di base di qualsiasi sensore ToF è che la distanza è uguale alla velocità della luce moltiplicata per il tempo di volo e divisa per due, cioè d = (c x t) / 2, dove c è la velocità della luce, circa 3 x 10 alla potenza 8 metri al secondo, mentre t è il tempo misurato di andata e ritorno.

Nel caso del VL53L5CX questo calcolo viene eseguito internamente, dall'elettronica del sensore, e il risultato arriva già elaborato tramite I2C, in millimetri, per ciascuna delle fino a 64 zone, con una frequenza fino a 60 Hz.

Il sensore può lavorare con risoluzione 4x4 zone, per applicazioni semplici e veloci, oppure 8x8 zone, per un maggiore dettaglio della scena, e la distanza massima utile è di circa 4 metri, con una precisione tipica intorno al 5 per cento della distanza misurata, che dipende dalla riflettanza del bersaglio e dalle condizioni di luce ambientale.

Cosa ti serve:

• 1 x Modulo sensore ToF VL53L5CX 8x8 zone, I2C, 3-5 VDC
• 1 x Placa dezvoltare Uno R3 cu Wifi ESP8266, compatibila Arduino
• 1 x 40 Fire Dupont 20cm, Tata-Mama
• 1 x Breadboard 830 puncte MB-102

Collegamento:

Il modulo si alimenta sul pin VIN con una tensione compresa tra 3 e 5 VDC, quindi può essere collegato direttamente all'uscita da 5 V di un Arduino Uno, senza convertitore di livello aggiuntivo, perché la scheda dispone già del regolatore e dell'adattamento del livello logico necessari per SDA e SCL. I pin LPn e INT sono opzionali per un collegamento di base, ma in questo tutorial li usiamo per mostrare come si controlla l'accensione del sensore e come si può leggere lo stato di interrupt.

Librerie:

Installa dal Library Manager la libreria SparkFun VL53L5CX Arduino Library, autore SparkFun Electronics, versione minima 1.0.3, cercando esattamente questo nome. La libreria Wire per la comunicazione I2C è già inclusa nell'Arduino IDE e non deve essere installata separatamente.

Il codice:

Il programma seguente inizializza il sensore, imposta la risoluzione a 8x8 zone e mostra sul monitor seriale la griglia di distanze letta a ogni frame.

/*
  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
}

Come funziona il codice:

All'inizio del programma si definiscono i pin LPN_PIN e INT_PIN, si crea l'oggetto myImager della classe SparkFun_VL53L5CX e la struttura measurementData, in cui la libreria inserirà i dati letti dal sensore, mentre le variabili imageResolution e imageWidth conservano la risoluzione corrente e il lato della griglia per una visualizzazione ordinata.

Nella funzione setup si avvia la comunicazione seriale a 115200 baud, si configura LPN_PIN come uscita e lo si imposta su HIGH per attivare il sensore, mentre INT_PIN viene configurato come ingresso con pull-up interno. Dopo Wire.begin si chiama myImager.begin, che inizializza il sensore e carica il firmware interno, poi myImager.setResolution(8 * 8) attiva tutte le 64 zone e myImager.startRanging() avvia le misurazioni continue.

Nella funzione loop si verifica prima di tutto lo stato del pin INT_PIN, solo per mostrare che il sensore segnala attivamente nuovi dati, poi si usa myImager.isDataReady() per sapere quando un nuovo frame è pronto, mentre myImager.getRangingData(&measurementData) porta i valori di distanza in mm nel vettore measurementData.distance_mm, che il programma scorre riga per riga per mostrare la griglia sul monitor seriale.

Risultato:

Apri il monitor seriale a 115200 baud. Dopo il caricamento del codice e l'inizializzazione del sensore vedrai periodicamente una griglia di 8x8 valori, ciascuno dei quali rappresenta la distanza in millimetri misurata nella rispettiva zona del campo visivo.

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

Problemi frequenti:

Se sul monitor seriale compare il messaggio che il sensore non è stato trovato, verifica prima di tutto i collegamenti SDA e SCL, perché i fili scambiati tra loro sono la causa più frequente, e assicurati che LPn sia su HIGH, non flottante né collegato a massa.

Se i valori mostrati sono sempre 0 oppure molto alti e instabili, controlla di aver chiamato myImager.startRanging() dopo l'impostazione della risoluzione e di lasciare un piccolo delay tra le letture, perché una funzione loop troppo veloce senza il controllo di isDataReady può leggere frame parziali.

Se il modulo funziona correttamente al primo avvio ma si blocca dopo un po' di tempo, controlla l'alimentazione, perché un cavo VIN troppo sottile o un'alimentazione instabile possono causare reset del sensore, soprattutto quando ci sono più moduli I2C sullo stesso bus.

Se usi più sensori VL53L5CX sullo stesso bus I2C e risponde solo uno, tieni LPn su LOW su tutti i sensori tranne uno, cambia il suo indirizzo I2C dal codice, poi attiva a turno anche il sensore successivo, perché ciascuno ha bisogno di un indirizzo univoco.

Se le distanze lette differiscono da una misura fatta con il metro, tieni presente che il sensore riporta la distanza perpendicolare alla superficie del bersaglio, non la distanza in linea retta verso un punto angolare, e che le superfici molto riflettenti o di colore molto scuro possono ridurre la portata utile.

Limiti e consigli:

Il sensore misura distanze utili fino a circa 4 metri, con una precisione tipica intorno al 5 per cento della distanza, che peggiora in condizioni di luce solare forte e diretta sul bersaglio o sull'obiettivo.

La frequenza di 60 Hz è un massimo teorico disponibile soprattutto con risoluzione 4x4, mentre a 8x8 zone il tempo di elaborazione per frame è maggiore, quindi per applicazioni veloci scegli la risoluzione 4x4 se non hai bisogno di un dettaglio fine della scena.

Il coperchio ottico di protezione deve essere mantenuto pulito, perché polvere o impronte possono introdurre errori di misura o ridurre il raggio d'azione del sensore.

Partendo da questo montaggio di base puoi realizzare un rilevatore di presenza su più zone, un semplice sistema di evitamento ostacoli per un robot mobile oppure un'applicazione di conteggio delle persone che passano attraverso il vano di una porta, usando la griglia di 64 zone per distinguere più bersagli nello stesso campo visivo.