ＰＩＣキット マイコン実験シリーズ 「超音波距離計の製作」

ＰＩＣキット　周辺モジュールの用意

ＮＯ－０１　１４ピンＣＰＵ基板（ＰＩＣ１６Ｆ１８３２６を装着）

ＮＯ－０６　８ＭＨＺ　Ｘ’ＴＡＬモジュール

ＮＯ－１２　Ｉ２Ｃ接続ＬＣＤ表示器、或いはＮＯ－１４ＬＣＤ表示器

ＮＯ－２６　ＨＣ－ＳＲ０４超音波測距モジュール

以上の４種のモジュールを使用します
もちろん、５Ｖ電源や配線コード類も必要です。

１４ピンＰＩＣ１６Ｆ１８３２６ＣＰＵモジュール

今回はＸＣ８にてプログラムを行います。
プログラムが簡単になるので、浮動小数点演算やＰｒｉｎｔｆ等メモリを大量消費する関数を使用します。
よって、１６ＫＷメモリの１６Ｆ１８３２６のご登場です。
アッセンブラならば、１６Ｆ１８２３の小メモリでも使用可能ですが。

今回はＩ／ＯピンにＩ２ＣバスとしてＲＣ０とＲＣ１の２本、
測距モジュールとの接続にＲＣ３－ＲＣ５の３本
ＲＡ４－ＲＡ５の２本はＸ’ＴＡＬ発振に使用します。
ＬＣＤ表示は上段が超音波伝搬時間(ｕｓ)、下段が距離(ｃｍ)

ＰＩＣ１６Ｆ１８３２６機能設定

・システムクロックは８ＭＨＺクリスタル発振および４ＸＰＬＬで３２ＭＨＺ
・Ｉ／Ｏピンはすべてデジタルで、ＲＣ０－３は入力、ＲＣ４－５は出力設定
・ＲＡ０－５は入力設定としときます。
・ＰＭＤレジスタでは、ＭＳＳＰ２のみディセーブルにしています
　と言う事は他の内蔵モジュールは、ほぼ動作しています
・測距モジュール用にタイマー１をシングルパルスモードで使用しています

プログラム
・ＭＳＳＰ低レベルルーチンはＶｅｒ０．２ｂを使用しています。
・ＬＣＤドライバルーチンは、ＡＱＭ１６０２用Ｖｅｒ１．０を使用しています。
　５Ｖ用にコントラスト値を設定しています。
・メインプログラム
　０．５秒おきに超音波センサ制御関数を呼び出し、伝搬時間を取得、
　そして演算およびＬＣＤに表示を行っているだけです。
　割込み等は使用していません。
　音速は３４０ｍ／ｓの固定値で演算しています。
　気温やその他の影響に対する補正処理は、一切していません。
　メインプログラムが一番単純なのでは？っと、言われそうです・・・

ＮＯ－０２６　ＨＣ－ＳＲ０４超音波測距モジュール

秋月電子から購入したＨＣ－ＳＲ０４超音波測距センサを使用しています。
このままでは使いづらいので、小基板にセンサを挿入する形をとっています。
センサモジュール部分は固定されておらず、基板から着脱できます。
詳細はモジュール製作編を参照して下さい。


モジュール基板出力ピン配置
①　ＧＮＤ
②　ＶＣＣ　５Ｖ
③　ＥＣＨＯ
　　これをそのままＰＩＣ基板のＲＣ３ピンに接続(注１)
④　ＴＲＩＧ
　　これをそのままＰＩＣ基板のＲＣ４ピンに接続
⑤　ＬＥＤ
　　これをそのままＰＩＣ基板のＲＣ５ピンに接続

使用方法
①　ＴＲＩＧピンに１０ｕｓ以上のＨパルスを付与
②　Ｈパルス終了後すぐに４０ＫＨＺの超音波送信
③　超音波送信終了後すぐにＥＣＨＯピンがＬ→Ｈとなる
④　反射波を受信するとすぐにＥＣＨＯピンがＨ→Ｌとなる
⑤　このＥＣＨＯピンのＨ持続時間が超音波伝搬時間となる
　　この時間をＰＩＣが測定する

(注１)ＰＩＣのＴ１Ｇピン
ＰＩＣ１６Ｆ１８２３等の第一世代のＰＩＣ Ｆ１シリーズはＲＣ３に設定できません
今回はＰＰＳ機能でＴ１ＧピンをＲＣ３に移動しています。
１６Ｆ１８２３の場合、ＲＡ３ピンかＲＡ４ピンとなります。
ＡＰＦＣＯＮレジスタで２者択一です。

ＨＣ－ＳＲ０４制御関数

呼び出されると、ＥＣＨＯピンで示される時間を返します。
戻値は３２ｂｉｔ符号無し整数で、単位はｕｓです。

パルス幅測定にはＴｉｍｅｒ１をシングルパルスモードで測定します。
このモードでは１６ｂｉｔのＴＭＲ１カウンタは、Ｔ１Ｇゲートオープンの時だけ、指定された入力パルスをカウントします。
センサモジュールのＥＣＨＯピンは、このＴ１Ｇピンと直結します。
ＴＭＲ１のカウントパルス源としては、インストラクションクロック（ＦＯＳＣ／４）を指定します。
ただ、そのままではパルスが早すぎるので、プリスケーラを使用します。
システムクロック３２ＭＨＺではＦＯＳＣ／４＝０．１２５ｕｓ
よって、プリスケール値は１／８とし、ＴＭＲ１を１ｕｓでカウントさせます。
因みに、ＦＯＳＣを変更する時は下記の用に変更します。
ＦＯＳＣ＝１６ＭＨＺの時、ＰＳ＝１／４
ＦＯＳＣ＝８ＭＨＺの時、ＰＳ＝１／２
ＦＯＳＣ＝４ＭＨＺの時、ＰＳ＝１／１
と、設定します。
設定可能なプリスケール値は以上の４種類です。

ゲート・シングルパルスモードの動作はマニュアル・タイミング表を見て下さい
「Ｔｉｍｅｒ１ ゲートシングルパルスモード」表です。
一目で下記の操作理由が判明します。

関数動作概略
①　Ｔｉｍｅｒ１起動・シングルパルスモード設定
　　　Ｔ１ＣＯＮ＝０ｘ３５
　　　Ｔ１ＧＣＯＮ＝０ｘＤ０
②　ＴＭＲ１カウンタをクリア
③　Ｔ１ＧＣＯＮレジスタＧＯ／ＤＯＮＥピットをＨにする（動作開始）
④　ＴＲＩＧピンを１０ｕｓ幅以上でＨ状態とする
⑤　モジュールから超音波が送信され、ＥＣＨＯ＝１となる
⑥　連結されてるＴ１Ｇ＝１となり、ＴＭＲ１はＦＯＳＣ／４をカウント開始
⑦　Ｔ１ＧＣＯＮレジスタＧＯ／ＤＯＮＥビットがＬになるまで待機
⑧　モジュールが反射波を受信すると、ＥＣＨＯ＝０、Ｔ１Ｇ＝０となる
⑨　ＴＭＲ１はカウントを停止、ＧＯ／ＤＯＮＥ＝０となる
⑩　ＴＭＲ１カウンタ値を読み込み
⑪　TMR1とTMR1IFビット合成し、戻し値として返す

問題点
　現在の所、測定にＴＭＲ１（１６ｂｉｔ）を使用しており、最大で６５５３５ｕｓ、すなわち理論的に片道１１ｍ強までの測定で、それ以上の長さになるとＴＭＲ１がオーバーフローしてしまいます。
この関数ではオーバーフローフラグを含めてますので、ＴＭＲ１カウンタを見かけ上１７ｂｉｔに拡張してます。
よって、片道２２ｍ程度の理論的測定限界となりました。
しかしながら、実測では１６ｂｉｔのままで十分で、片道１１ｍですら安定して測定できませんでした・・・
アッセンブラ版での初期構想では、ＴＭＲ１カウンタを２４ｂｉｔに拡張するつもりでした・・・
もちろん没になりましたが。

ソースファイル　補足

詳細はソースファイルを見て頂きたく思います。

（１）ＭＳＳＰ・Ｉ２Ｃマスタモード・ＸＣ８用ライブラリ　Ver0.2b

（２）ＡＱＭ１６０２　ＸＣ８用ライブラリ　Ver1.0

（３）ＨＣ-ＳＲ０４制御関数
　　外部関数とはせずに、内部展開としています。
　　呼び出すと、超音波伝搬時間を返します。
　　これは往復の時間です

感想

狭い室内で動作させると乱反射するのか、長距離ではイマイチ動作が不安定です
室内に物がいっぱいあると言うのも影響していると思いますが。
１００ｃｍ以下の短距離では割と安定して測距しますし、広い部屋の壁なら５ｍ程度までは安定していて、メジャーでの測定と距離数値がほぼ合います。
測定間隔を開けてみましたが、さほど変わりませんでした。
それよりセンサの測定している壁に対する角度等を手動で微調整すると、それらしき数値が表示されます。
初期構想では、何回か測定して平均値を算出表示する案もあったのですが、没になりました。
理由は測距値が不安定な時は極端にずれる、例えば６ｍの距離での測定で、６ｍと表示されたり６ｃｍだったり１２ｍだったりと、桁違いな数値表示でふらつきます。
「微妙に数値がおかしい」と言うのはほとんど無く、おかしい時はあからさまにおかしかったです。
そういう意味では測定間隔が早いと、真の数値が判別出来ないので、１～２秒間隔が妥協点かなと思いました。
この辺の理由は今の所不明ですが、解決しようとする気力も乏しいです・・・

しかし・・・実用用途が思い浮かびませんけど・・・

その他
諸般の事情により、半年以上ＰＩＣプログラミングしていませんでした・・・
プログラミング・リハビリのつもりで行ってみました。
年のせいか結構忘れているもので、我ながら呆れてしまいました・・・
特にＣプログラミングは身に付いて無いせいか、すぐ忘れます。
実は今回もアッセンブラでプログラムし、動作確認してからＸＣ８用に移植してます。
未だに、いきなりＸＣ８でプログラムすると、デバッグに苦労するからです。
ならば、アッセンブラで肝心の制御関数部分をチャチャっとプログラムしてしまえば、安心してＸＣ８の関数を作成できます。
ＸＣ８を使う以前と違うのはＸＣ８への移植をイメージしながらアッセンブラ・ソースを記述するようになった事です。
これにてビルドできない、動作しないのは、ほぼ単純ミスだけ　(^^♪

　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　2018年12月 JA0QON

追記があれば、ここに記します