AVR -HC-SR04 ile Oransal Kontrol

Zamanlayıcı (timer), kesme (interrupt) kullanımıyla ilgili alıştırma yapmak ve Arduino öğreticilerinin çoğunlukla kullandığı Hc-Sr04' ün AVR ve C ile kullanımını anlatmaya çalışacağım. Hc-Sr04 sensörler ses ile mesafe ölçümü yapmakta kullanılır. İnternette birçok yazı mevcut ama kabaca anlatacağım.

Hc-Sr04

Bilgi sayfasına buradan erişebilirsiniz. Hc-Sr04 3mm hassasiyetinde 2cm ile 400cm arası temassız ölçüm yapabilen bir sensördür. Sensör üstünde 4 adet pin bulunur.

Vcc: +5 volt besleme.

Trig: Sensörün ölçüme başlaması için sinyal gönderilen pin.

Echo: Çıkış pini, high "1" seviyede olduğu süreyi ölçeceğiz.

Gnd: (0 Volt) Negatif besleme.

Sensörün çalışması oldukça basit. Bilgi sayfasına göre ilk yapılması gereken Trig pinini 10us süreyle high "1" yapıp, low "0" yapmaktır. Sonrasında sensör 40kHz frekansında 8 ses dalgası gönderir ve Echo pinini high "1" yapar. Echo pini sensöre ses dönüşü olana kadar high "1" olarak kalır. Echo pininin high "1" olduğu an ve low "0" olduğu an arasında geçen süre sesin bir engele çarpıp geri döndüğü süredir.  Bilgi sayfasına göre yüzey 0,5m² ve daha büyük, ayrıca pürüzsüz olursa daha doğru ölçüm yapılacaktır. Sesin gidiş ve dönüşü arasında geçen süreyi sınırlamak gerekir. Bu yapılmazsa ölçüm sınırının dışına çıkılır ve hatalı sonuç alınır. Ayrıca önlem alınmazsa  döngü içinde tekrar Trig pininin high "1" olması gibi bir durum gerçekleşebilir.

Echo pininin high olduğu sürenin, sesin gidiş dönüş süresi olduğunu ve bu sürenin yarısını almamız gerektiğini unutmamak gerekir. Sesin hızı ortamın yoğunluğuna göre değişir. Katıda suya göre, su içinde havaya göre daha hızlıdır. Havanın sıcaklık ve  yüksekliğe göre yoğunluğu değiştiğinden sesin hızı da değişir. Ben ses hızını 344m/s olarak alacağım. Buna göre ses 1sn de 344 metre gider. Birimleri cm ve us cinsine çevirdiğimizde 0,0344cm/us yani 1us de 0,0344cm yol gider. Yol=hızXzaman formülüne göre işlem yaparak aradaki mesafeyi buluruz. Echo high süresi için kronometre görevi görecek zamanlayıcı birimini kullanacağız.

Timer/Counter1 (TC 1)

Önceki yazıda Timer0 birimini kullandım. Sensöre 400cm ölçüm yaptırmak istediğimizde 11.627us, 1cm için 29us gerekir. (yol=hızXzaman, 400=0,0344Xzaman, zaman= 400/0,0344)
Mikro saniye hassasiyetinde sayabilmeli fakat çok büyük sayaç değerleri olmamalı. 16MHz de prescaler değeri 8 seçilirse en uygun değerleri bulabiliriz. Bu durumda  sayaç değeri limit yani 400cm mesafede  gidiş dönüş için 23.254 gibi bir değer tutmalıdır. Bu ancak 16 bitlik bir zamanlayıcı biriminde yapılabilir. Bu nedenle Timer1 birimini kullanacağız.

TCNT1

TCNT1 kristal veya seçilebilen farklı bir kaynaktan gelen saat darbesiyle artarak sayım yapan registerdir. TCNTL ve TCNTH olarak iki 8 bit registerde veri tutulur.  TCNT1 üst değer olan 65535 0xFFFF e kadar artabilir. Bizim için fazlasıyla yeterli bir değerdir.

Yukarıda TC1 şeması bulunmaktadır. Birimde bulunan kontrol registerleriyle istediğimiz ayarlamaları yapacağız.  Yukarıda bahsettiğim gibi prescaler değerini 8 alacağız. Uygun bir çözünürlük ve kayıt edebileceğimiz büyüklükte değerler vermektedir.

Bu seçim sonucunda 1sn de 16.000.000/8 saat darbesi yani 2.000.000 olacaktır. Bir mikro saniye 2 darbe olacaktır. TCNT1 değerini 2' ye böldüğümüzde "us" cinsinden süreyi buluruz. Prescaler 8 için CS11 isimli bit "1" olmalıdır.

OCR1A

Zamanlayıcı birimini sürenin tespiti yanında sensörün ihtiyaç duyduğu beklemeleri yapması için de kullanacağız. Bunun için OCR1A registerini kullanacağız. TCNT1 gibi 16 bit bir registerdir. OCR1AL ve OCR1AH isimli iki 8 bit registerden oluşur. Timer1 birimiyle istediğimizi yapmak için TCNT1 ile eşleşme olduğunda kesme oluşmalı ve TCNT1 sıfırlanmalıdır. Bunu CTC moduyla yapabiliriz.

Şekilde görüldüğü gibi eşleşmede kesme oluşuyor ve TCNT1 sıfırlanıyor. CTC modu için aşağıdaki şekilde görüldüğü gibi mode 4 seçilmeli bunun için WGM12 "1" yapılmalıdır.

TC1 Kontrol Registerleri

TCCR1A registerinde yer alan bitler bizim seçimlerimizi ilgilendiren bitler olmadığından burada değinmeyeceğim. TCCR1B registeri aşağıdaki gibidir. İstediğimiz ayarlar için WGM12 ve  CS11 "1" yapılacak.

Mesafe Ölçümü ve Kontrol

Bunun için timer1 OCR1A eşleştirme ve Pin değişim  kesmeleri kullanacağız. Zamanlayıcı kesmesi trig pininin high "1" olması ve 10us bu şekilde kalmasını sağlayacak. Bunun sonucunda echo high "1" olacak, bu değişimin olduğu anı belirlemek için pin değişim kesmesini kullanacağız. Sesin geri dönüşüne kadar sayacı başlatıp echo low "0" olana kadar sayacağız. Bu sayım süresini kısıtlayarak hem limit dışı ölçümleri düzelteceğiz hem de ölçüm için gereksiz bekleme yapmayarak döngüyü hızlandıracağız. Echo low "0" olduğunda yine pin değişim kesmesi gerçekleşecek, bu olduğunda sayma işlemini durdurup sayacın değerini kayıt altına alacağız. Böylece bir döngü halinde ölçüm işlemini tamamlayacağız. Sayaç değerini gidiş dönüş süresi ve mikro saniye dönüşümü için 4' e böleceğiz ve ses hızıyla çarparak mesafeyi bulacağız.

Bulduğumuz mesafeyi istediğimiz mesafe ile arasında oluşan farka göre değerlendirip, negatif ise geri pozitif ise ileri yön veriyoruz. Fark oransal (P) katsayı ile çarpılarak motorların hareket eşiği olan PWM değerine eklenerek motorun hızını ayarlıyoruz. Kod içinde yeterli açıklama olduğunu düşünüyorum bu nedenle daha fazla uzatmadan yazıyı burada sonlandırıyorum.

/*
 * Ppwm_hcsr04.c
 *
 * Created: 24.12.2019 20:26:48
 * Author : simsek
 */ 

#define F_CPU 16000000ul
#include <avr/io.h>
#include <avr/interrupt.h>
#define UART_Rx_Boyut 64
#define UART_Tx_Boyut 64
#define UART_Rx_Mask (UART_Rx_Boyut-1)
#define UART_Tx_Mask (UART_Tx_Boyut-1)
#define UART_Bos_On UCSR0B|=(1<<UDRIE0)
#define UART_Bos_Off UCSR0B&=~(1<<UDRIE0)

#define  h_sol PORTD5
#define  h_sag PORTD6
#define  echo PORTD2
#define  trig PORTB4

#define  TRIG_H PORTB|=(1<<trig)
#define  TRIG_L PORTB&=~(1<<trig)
// 16MHz, prescaler 8,1us 2 saat darbesi, OCR1A değeri/2=X us
#define  trig_delay 20 // 10us
#define  limit_sayac 20000 // 172cm/0,0344=5000us TCNT sınır  (gidiş-geliş 20000, tek yön 10000)
#define  limit_mesafe 172 // 172cm/0,0344=5000us TCNT sınır  (gidiş-geliş 20000, tek yön 10000)
#define  olcme_delay 2000 //1ms ölçüm arası bekleme
#define  ses_hizi 0.0344 //0.0344cm/us ile cm veya 0.344mm/us ile mm ölçülür

uint8_t ist_mesafe=12, pkat=5;//pkat oransal katsayı
uint8_t m_durum=0;
int8_t hiz=200, *ptrhiz=&hiz;
int16_t  hata=0,  ppwm=0;
uint16_t  pwm_motor=0, ort_mesafe=0;
volatile uint16_t sayac=0, top_mesafe=0;
volatile uint8_t durum=0, olcme=0; 
volatile uint8_t rx_bas=0,rx_son=0,tx_bas=0,tx_son=0;
volatile uint8_t rx_ring[UART_Rx_Boyut];
volatile uint8_t tx_ring[UART_Tx_Boyut];

void dur();
void ileri_git();
void geri_git();
void sag_git();
void sol_git();
void sag_ileri_git();
void sol_ileri_git();
void sag_geri_git();
void sol_geri_git();
void hiz_1();
void hiz_2();
void hiz_3();
void hiz_4();
void hiz_5();
void pwm_pin(uint8_t _pin,uint8_t _pwm);
void pin_kesme();
void kopek_ayar();
void zaman1_ayar();
void uart_basla(uint32_t baud);
uint8_t uart_oku();
void uart_gonder(uint8_t uData);
void uart_dizi(char*str);
uint8_t uart_gelen();
void (*motor[14])(void)={
 dur,
 ileri_git,
 geri_git,
 sag_git,
 sol_git,
 sag_ileri_git,
 sol_ileri_git,
 sag_geri_git,
 sol_geri_git,
 hiz_1,
 hiz_2,
 hiz_3,
 hiz_4,
 hiz_5,
};
ISR (TIMER1_COMPA_vect){
 switch (durum){
  case 0:// timer ilk kesme oldu
   TRIG_H;// trig pin high
   OCR1A=trig_delay;
   durum++; 
   break;
  case 1: // trig pin bekleme sonrası   
   TRIG_L; //trig pin low 
   OCR1A=limit_sayac;
   durum++;// echo kesme olmazsa, ölçüm yapılamadı   
   break;
  case 2: // ölçüm yapılmadı,
   top_mesafe+=limit_mesafe;
   olcme++;//ortalama için toplanan değer sayısını belirliyoruz
   durum=0;// ölçüm yapılmadı başa dön, else kullanmamak için önceden değişti
   if (!(olcme&0x03)){//4 ölçüm olduğunda
    durum=4;// mesafe ölçüldü bilgisi için 4 oldu
    olcme=0;
    TCCR1B=0x00;// timer durdu
   }       
   break;
  case 3:// ölçüm yapıldı,
   top_mesafe+=(sayac*ses_hizi);//YOL=HIZxZAMAN
   olcme++;////ortalama için toplanan değer sayısını belirliyoruz
   durum=0;// başa dön, else kullanmamak için önceden değişti
   if (!(olcme&0x03)){//4 ölçüm olduğunda
    durum=4;// mesafe ölçüldü bilgisi için 4 oldu
    olcme=0;
    TCCR1B=0x00;// timer durdu
   }
   break;  
  default:
   durum=0;
   break;
 }
}
ISR (INT0_vect){
 if (durum==2){ 
  if (!(PIND&(1<<echo))){// echo low kesme oldu, ölçüm yapıldı
   sayac=TCNT1;// sayaç TCNT ile eşitlendi
   sayac>>=2;// sesin gidiş ve dönüşü ve 2 darbe 1us hesabı için  4'e bölüyoruz, geçen us bulundu
   durum++;// zaman kesmesinde durumu değiştiriyoruz. durum=3
   OCR1A=olcme_delay;
  }else{  
   TCNT1=0;//echo ilk kesme, sesin dönüşü için TCNT sıfırlandı 
  }   
 }  
}
ISR (USART_RX_vect){
 rx_bas=(rx_bas+1) & UART_Rx_Mask;
 rx_ring[rx_bas]= UDR0;
}
ISR (USART_UDRE_vect){
 tx_son=(tx_son+1)&UART_Tx_Mask;
 UDR0=tx_ring[tx_son];
 if (tx_son==tx_bas)
 UART_Bos_Off;
}

int main(void){
 DDRB|=(1<<PORTB0)|(1<<PORTB1)|(1<<PORTB2)|(1<<PORTB3)|(1<<trig); 
 uart_basla(115200);
 pin_kesme(); 
 zaman1_ayar();
    while (1){   
  if (durum==4){        
   durum=0;// döngüye devam etmek için 0 yapıldı
   ort_mesafe=(top_mesafe>>2); //ortalama için 4' e böldük
   top_mesafe=0;    
   hata=ort_mesafe-ist_mesafe; //istenen mesafe ile ölçülen mesafenin farkı   
   ppwm=hata*pkat;   
   if (hata>0){    
    pwm_motor=ppwm+165;
    if (pwm_motor>230){// motor hızını sınırladım
    pwm_motor=230;}
    *ptrhiz=pwm_motor;
    ileri_git();
   }
   if (hata<0){
    pwm_motor=-(ppwm-165);
    if (pwm_motor>230){
    pwm_motor=230;}
    *ptrhiz=pwm_motor;
    geri_git();
   }
   if (hata==0){
    pwm_motor=0;
    *ptrhiz=pwm_motor;
    dur();
   }
   
  TCCR1B|=(1<<WGM12)|(1<<CS11);//timer başladı
  }
  /*if (uart_gelen()){
   m_durum=uart_oku();
   motor[m_durum]();
   }else {
   m_durum=0;
  }*/
    }
}

/////////////////
void zaman1_ayar(){
 TCCR1B|=(1<<WGM12)|(1<<CS11);// CTC  ve prescaler 8, 1us 2 saat darbesi.
 TIMSK1|=(1<<OCIE1A);
 OCR1A=olcme_delay; 
 sei();
}
void pin_kesme(){
 DDRD&=~(1<<echo);//pd2 giriş yapıldı
 EICRA|=(1<<ISC00);// kesme akif
 EIMSK|=(1<<INT0);//echo pin değişim aktif
 sei(); //tüm kesmeler açıldı
}
//////////////// motor
void dur(){
 pwm_pin(h_sag,0);
 pwm_pin(h_sol,0);
 PORTB&=~(0x0F);
}
void ileri_git(){
 pwm_pin(h_sag,hiz);
 pwm_pin(h_sol,hiz);
 PORTB=(PORTB&(0xF0))|(0x03);
}
void geri_git(){
 pwm_pin(h_sag,hiz);
 pwm_pin(h_sol,hiz);
 PORTB=(PORTB&(0xF0))|(0x0C);
}
void sag_git(){
 pwm_pin(h_sag,hiz);
 pwm_pin(h_sol,hiz);
 PORTB=(PORTB&(0xF0))|(0x05);
}
void sol_git(){
 pwm_pin(h_sag,hiz);
 pwm_pin(h_sol,hiz);
 PORTB=(PORTB&(0xF0))|(0x0A);
}
void sag_ileri_git(){
 pwm_pin(h_sag,hiz-(hiz>>3));
 pwm_pin(h_sol,hiz);
 PORTB=(PORTB&(0xF0))|(0x03);
}
void sol_ileri_git(){
 pwm_pin(h_sag,hiz);
 pwm_pin(h_sol,hiz-(hiz>>3));
 PORTB=(PORTB&(0xF0))|(0x03);
}
void sag_geri_git(){
 pwm_pin(h_sag,hiz-(hiz>>3));
 pwm_pin(h_sol,hiz);
 PORTB=(PORTB&(0xF0))|(0x0C);
}
void sol_geri_git(){
 pwm_pin(h_sag,hiz);
 pwm_pin(h_sol,hiz-(hiz>>3));
 PORTB=(PORTB&(0xF0))|(0x0C);
}
void hiz_1(){*ptrhiz=180;}
void hiz_2(){*ptrhiz=190;}
void hiz_3(){*ptrhiz=210;}
void hiz_4(){*ptrhiz=220;}
void hiz_5(){*ptrhiz=230;}
//////////////// pwm
void pwm_pin(uint8_t _pin,uint8_t _pwm){
 if(_pin==5){
  DDRD|=(1<<PORTD5);
  TCCR0A|=(1<<COM0B1)|(1<<WGM00);
  TCCR0B|=(1<<CS00);
  OCR0B=_pwm;
 }
 else if(_pin==6){
  DDRD|=(1<<PORTD6);
  TCCR0A|=(1<<COM0A1)|(1<<WGM00);
  TCCR0B|=(1<<CS00);
  OCR0A=_pwm;
 }
}
//////////////// uart
void uart_basla(uint32_t baud){
 uint16_t baudRate=0;
 baudRate=(F_CPU/baud/16)-1;
 if (baud>=115200){
  baudRate=(F_CPU/baud/8)-1;
  UCSR0A|=(1<<U2X0);
 }
 UBRR0H=(baudRate>>8);
 UBRR0L=baudRate;
 UCSR0B|=(1<<RXEN0)|(1<<TXEN0)|(1<<RXCIE0);
 UCSR0C|=(1<<UCSZ01)|(1<<UCSZ00);
 sei();
}
uint8_t uart_oku(){
 rx_son=(rx_son+1) & UART_Rx_Mask;
 return rx_ring[rx_son];
}
void uart_gonder(uint8_t uData){
 tx_bas=(tx_bas+1)&UART_Tx_Mask;
 tx_ring[tx_bas]=uData;
 UART_Bos_On;
}
void uart_dizi(char*str){
 while(*str){
  uart_gonder (*str++);  
 }
}
uint8_t uart_gelen(){
 if (rx_son==rx_bas){
  return 0;
 }
 return 1;
}