Modul Senzor ToF VL53L5CX 8x8 zone, I2C, 3-5 VDC

Modulul cu senzorul VL53L5CX este o camera de distanta Time-of-Flight (ToF) care imparte campul vizual intr-o grila de pana la 8x8 zone si returneaza simultan distanta masurata in fiecare zona, nu doar o singura valoare ca senzorii clasici de distanta.

Este util in proiecte de detectie a obstacolelor pentru roboti mobili, numarare de persoane la o usa, gesture control, oprirea automata a unui utilaj la apropierea unei maini sau maparea simpla a unei camere, acolo unde o singura citire de distanta nu este suficienta.

Cum functioneaza:

Senzorul emite impulsuri de lumina laser invizibila cu un emitator VCSEL pe 940 nm si masoara cat timp ii ia luminii sa ajunga la obiect si sa se intoarca la matricea de fotodetectori SPAD din interiorul cipului.

Principiul de baza al oricarui senzor ToF este distanta egala cu viteza luminii inmultita cu timpul de zbor si impartita la doi, adica d = (c x t) / 2, unde c este viteza luminii, aproximativ 3 x 10 la puterea 8 metri pe secunda, iar t este timpul masurat dus-intors.

In cazul VL53L5CX acest calcul este facut intern, de electronica proprie a senzorului, iar rezultatul ajunge gata procesat prin I2C, in milimetri, pentru fiecare dintre cele pana la 64 de zone, la o rata de pana la 60 Hz.

Senzorul poate lucra in rezolutie 4x4 zone, pentru aplicatii simple si rapide, sau 8x8 zone, pentru un detaliu mai mare al scenei, iar distanta maxima utila este de aproximativ 4 metri, cu o precizie tipica in jurul a 5 la suta din distanta masurata, dependenta de reflectanta tintei si de conditiile de lumina ambientala.

Ce ai nevoie:

• 1 x Modul Senzor 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

Conectare:

Modulul se alimenteaza pe pinul VIN cu o tensiune din intervalul 3 - 5 VDC, astfel incat poate fi conectat direct la iesirea de 5 V a unui Arduino Uno, fara convertor de nivel suplimentar, placa avand deja regulatorul si adaptarea de nivel logic necesare pentru SDA si SCL. Pinii LPn si INT sunt optionali pentru o conectare de baza, dar ii folosim in acest tutorial pentru a arata cum se controleaza pornirea senzorului si cum se poate citi starea de intrerupere.

Biblioteci:

Instalati din Library Manager biblioteca SparkFun VL53L5CX Arduino Library, autor SparkFun Electronics, versiunea minima 1.0.3, cautand exact acest nume. Biblioteca Wire pentru comunicatia I2C este inclusa deja in Arduino IDE si nu trebuie instalata separat.

Codul:

Urmatorul program initializeaza senzorul, seteaza rezolutia la 8x8 zone si afiseaza pe monitorul serial grila de distante citita la fiecare cadru.

/*
  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
}

Cum functioneaza codul:

La inceputul programului se definesc pinii LPN_PIN si INT_PIN, se creeaza obiectul myImager din clasa SparkFun_VL53L5CX si structura measurementData, in care biblioteca va pune datele citite de la senzor, iar variabilele imageResolution si imageWidth retin rezolutia curenta si latura grilei pentru afisare ordonata.

In functia setup se porneste comunicatia seriala la 115200 baud, se configureaza LPN_PIN ca iesire si se seteaza pe HIGH pentru a activa senzorul, iar INT_PIN se configureaza ca intrare cu pull-up intern. Dupa Wire.begin se apeleaza myImager.begin, care initializeaza senzorul si incarca firmware-ul intern, apoi myImager.setResolution(8 * 8) activeaza toate cele 64 de zone si myImager.startRanging() porneste masuratorile continue.

In functia loop se verifica mai intai starea pinului INT_PIN, doar pentru a arata ca senzorul semnaleaza activ noi date, apoi se foloseste myImager.isDataReady() pentru a sti cand un cadru nou este gata, iar myImager.getRangingData(&measurementData) aduce valorile de distanta in mm in vectorul measurementData.distance_mm, pe care programul il parcurge linie cu linie pentru a afisa grila pe monitorul serial.

Rezultat:

Deschideti monitorul serial la 115200 baud, dupa incarcarea codului si dupa initializarea senzorului veti vedea periodic o grila de 8x8 valori, fiecare reprezentand distanta in milimetri masurata in zona respectiva a campului vizual.

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

Probleme frecvente:

Daca pe monitorul serial apare mesajul ca senzorul nu a fost gasit, verificati mai intai conexiunile SDA si SCL, firele inversate intre ele fiind cea mai frecventa cauza, si asigurati-va ca LPn este pe HIGH, nu flotant sau legat la masa.

Daca valorile afisate sunt mereu 0 sau foarte mari si instabile, verificati daca ati apelat myImager.startRanging() dupa setarea rezolutiei si daca lasati un mic delay intre citiri, functia loop prea rapida fara verificarea isDataReady poate citi cadre partiale.

Daca modulul functioneaza corect la prima pornire dar se blocheaza dupa un timp, verificati alimentarea, un cablu VIN prea subtire sau o sursa instabila pot cauza resetari ale senzorului mai ales cand sunt mai multe module I2C pe acelasi bus.

Daca folositi mai multe senzoare VL53L5CX pe acelasi bus I2C si doar unul raspunde, tineti LPn pe LOW la toate senzoarele in afara de unul, schimbati-i adresa I2C din cod, apoi activati pe rand si urmatorul senzor, fiecare avand nevoie de o adresa unica.

Daca distantele citite difera fata de o masuratoare cu ruleta, tineti cont ca senzorul raporteaza distanta perpendiculara pe suprafata tintei, nu distanta in linie dreapta spre un punct unghiular, iar suprafetele foarte reflectorizante sau foarte inchise la culoare pot reduce raza utila.

Limitari si sfaturi:

Senzorul masoara distante utile de pana la aproximativ 4 metri, cu o precizie tipica in jurul a 5 la suta din distanta, care scade in conditii de lumina solara puternica directa pe tinta sau pe obiectiv.

Rata de 60 Hz este un maxim teoretic disponibil mai ales la rezolutie 4x4, la 8x8 zone timpul de procesare per cadru este mai mare, asa ca pentru aplicatii rapide alegeti rezolutia 4x4 daca nu aveti nevoie de detaliu fin al scenei.

Capacul optic de protectie trebuie pastrat curat, praful sau amprentele de pe el pot introduce erori de masurare sau pot reduce raza de actiune a senzorului.

Pornind de la acest montaj de baza puteti construi un detector de prezenta pe mai multe zone, un sistem simplu de evitare a obstacolelor pentru un robot mobil sau o aplicatie de numarare a persoanelor care trec printr-un cadru de usa, folosind grila de 64 de zone pentru a distinge mai multe tinte in acelasi camp vizual.