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digital meter using hc-sr04 ultrasonic sensor and avr microcontroller

Metro digital con sensor HC-SR04

Este proyecto se trata de crear un metro digital con ayuda del sensor ultrasonico HC-SR04, y para ayudarnos de controlar usaremos el uC ATmega328p del Arduino Uno, debido a que fue fácil la prototipación, pero el algoritmo se puede ocupar en otras familias de microcontroladores.

Algoritmo de sensor ultrasonico

1. Asignamos el pin conectado a trigger como salida.
2. Asignamos el pin conectado a echo como entrada
3. Generamos un pulso alto de 10us en el pin trigger y despues lo apagamos.
4. Esperamos 220us a obtener una respuesta del pin echo.
5. mientras el pin echo este en estado bajo 0 (low), esperar en el punto 5, si no pasar al siguiente paso.
6. Activar el Timer1 cambiando el prescalador a 64.
7. mientras el pin echo este en estado alto 1 (high), esperar en el punto 7, si no pasar al siguiente paso.
8. Detener el Timer1

Elección de timer(contador de echo).

En los uC de la familia AVR, el ciclo de instrucción es igual al periodo del oscilador, en este caso $$ciclo = \dfrac{1}{F_{osc}}= \dfrac{1}{16 MHz}= 62.5 ns$$.

Considerando que el máximo tiempo que debe de contar es 38 mseg, que nos indica que no detecto ningún objeto, debemos usar un prescalador que nos ayude a retardar el timer. Al usar el timer0 obtenemos que $$t=255\cdot\dfrac{prescalador}{F_{osc}}$$ creamos una desigualdad para saber que tan grande tiene que ser el prescalador $$prescalador\geq\dfrac{F_{osc}\cdot t}{255}\rightarrow\dfrac{16 MHz\times 38mseg}{255}$$

$$prescalador\geq 2385$$ el problema es que el maximo prescalador que tenemos es de 1024, por lo cual usaremos el timer1 el cual realiza $2^{16}-1=65535$ cuentas, cambiando este valor del 255.

$$prescalador\geq\dfrac{F_{osc}\cdot t}{65535}\rightarrow\dfrac{16 MHz\times 38mseg}{65535}$$

$$prescalador\geq 10$$

Como el prescalador debe ser mayor a 10 usaremos el prescalador 64, obteniendo un tiempo máximo de 262.14ms. Teniendo el valor del prescalador y el oscilador obtenemos el valor por el que tendremos que multiplicar nuestro registro de 16-bits (TCNT1).

$$t=\dfrac{prescalador}{F_{osc}}\cdot TCNT1=\dfrac{64}{16\times 10^6 Hz}\cdot TCNT1$$

$$t=4\mu s\cdot TCNT1$$

Cálculo para obtener distancia.

El sensor utiliza la formula $v=\dfrac{2\cdot d}{t}$, tomando la velocidad del sonido $340\frac{m}{s}$ pero como vamos a trabajar con cm y $\mu s$ la conversión quedaria como $0.034\frac{cm}{\mu s}$.

Como queremos obtener la distancia el despeja de la formula quedaria como:

$$d=\dfrac{v\cdot t}{2}=\dfrac{0.034\frac{cm}{\mu s}\cdot TCNT1\cdot4\mu s}{2}$$

$$ d = TCNT1\times 0.068 cm$$