โปรเจกต์ Ultrasonic sensor กับ Arduino - คู่มือฉบับสมบูรณ์

ผมเพิ่งโพสต์วิดีโอลงบน YouTube เพื่ออธิบายทุกอย่างที่คุณสามารถอ่านได้ในบทความนี้ หากคุณสนใจรับชม นี่คือวิดีโอครับ

Ultrasonic sensor คืออุปกรณ์ที่สามารถ วัดระยะทางโดยใช้คลื่นเสียง โดยทำงานในลักษณะเดียวกับค้างคาวและโลมา - ด้วยการส่งคลื่นเสียงออกไปและรอฟังเสียงที่สะท้อนกลับมา

,,,

Sensor ประกอบด้วยส่วนประกอบหลักสองส่วนคือ: transmitter และ receiver โดย transmitter จะทำหน้าที่ส่งเสียงความถี่สูง ซึ่งในความเป็นจริงแล้วคำว่า ultrasonic หมายถึงความถี่ที่เกินขอบเขตการได้ยินของมนุษย์ - หรือสิ่งที่สูงกว่า 20kHz นั่นเอง

เมื่อคลื่นเสียงกระทบกับวัตถุ มันจะสะท้อนกลับมาเหมือนเสียงเอคโค่ คลื่นที่สะท้อนกลับมานี้จะถูกตรวจจับโดย receiver จากนั้น sensor จะใช้ internal clock ของ micro-controller (Arduino) เพื่อหาว่าเสียงใช้เวลาเท่าไหร่ในการสะท้อนกลับมา โดยนาฬิกาเล็กๆ นี้จะเริ่มทำงานเมื่อมีการส่งคลื่นความถี่สูงออกไป และจะหยุดทำงานเมื่อตรวจพบเสียงสะท้อน

การใช้ code ทำให้เราสามารถเขียนโปรแกรมเพื่อเก็บค่าเวลาที่เกิดขึ้นระหว่างเหตุการณ์ทั้งสองนี้ลงใน variable จากนั้นเราสามารถนำข้อมูลนี้ไปใช้คำนวณระยะห่างระหว่าง sensor และวัตถุได้

คุณอาจจะกำลังคิดว่า: เราจะหาระยะทางได้อย่างไรหากเรารู้เพียงแค่เวลา?

อย่างที่คุณทราบกันดีว่า velocity (ความเร็ว) คือระยะทางหารด้วยเวลา ตามสมการนี้ หากเรา คูณความเร็วด้วยเวลา เราจะได้ระยะทาง อย่างที่ผมบอกไปว่า sensor นี้ส่งคลื่นเสียง ดังนั้นความเร็วที่เราต้องใช้คือความเร็วเสียงในอากาศ (340 m/s)

Velocity = ระยะทาง / เวลา

ระยะทาง = Velocity * เวลา

แต่ถ้าเราคูณความเร็วนี้ด้วยเวลาที่หาได้ เราจะได้ค่าที่เป็นสองเท่าของระยะทางจริง นั่นเป็นเพราะเสียงเดินทางไปกระทบวัตถุแล้วสะท้อนกลับมา หรือพูดอีกอย่างคือมันเดินทางในเส้นทางเดิมสองรอบ ดังนั้นเพื่อหาระยะทางจริง เราต้องคูณความเร็วเสียงกับเวลาแล้วหารผลลัพธ์ด้วยสอง

ระยะทาง = (Velocity * เวลา) / 2

,,,

Project

ในบทความนี้ ผมจะแสดงให้คุณดูว่าเราจะสร้างระบบสัญญาณกันขโมย (alarm system) โดยใช้ Arduino และ ultrasonic sensor อย่างไร หากคุณไม่มีอุปกรณ์ครบทุกชิ้นหรือต้องการทดสอบก่อนประกอบจริง ผมได้สร้างแบบจำลองของ alarm system นี้ไว้บน Tinkercad คุณสามารถรันโปรแกรมผ่านเบราว์เซอร์ได้โดยตรงเพียงคลิก ที่นี่

ต่อมา สำหรับโปรเจกต์นี้คุณจะต้องมี: บอร์ด Arduino, breadboard, สาย jumper, buzzer และ ultrasonic sensor

Assembly

อันดับแรก ติดตั้ง ultrasonic sensor และ buzzer ลงบน breadboard จากนั้นเชื่อมต่อพิน VCC และ GND เข้ากับพอร์ต Arduino 5V และ ground

,

หลังจากนั้น เชื่อมต่อพิน trigger เข้ากับพอร์ต 9, พิน echo เข้ากับพอร์ต 10 และ buzzer เข้ากับพอร์ต 8 นอกจากนี้ให้ต่อ GND ของ buzzer เข้ากับ Arduino GND

สุดท้าย ให้อัปโหลดไฟล์ alarm-system-arduino.ino ที่ผมให้ไว้ในบทความนี้ และตอนนี้ alarm system ของเราก็เสร็จสมบูรณ์แล้วครับ

Code explanation

ในตอนแรก เราได้กำหนดค่าคงที่ (constants) และ variables ที่จำเป็น จากนั้นในฟังก์ชัน setup เราได้ตั้งค่าส่วนสำคัญของ code - เช่น การกำหนดให้พิน echo เป็น INPUT และพิน trigger กับ buzzer เป็น OUTPUT นอกจากนี้เรายังเริ่มการสื่อสารแบบ serial - ซึ่งสำคัญมากในการดูค่าระยะทางที่วัดได้

,

ส่วนสุดท้ายคือฟังก์ชัน loop ซึ่งจะเริ่มจากการปิด emitter แล้วเปิดใช้งานเป็นเวลา 10 มิลลิวินาที (milliseconds) ก่อนที่จะปิดอีกครั้ง code ส่วนนี้จะทำหน้าที่สร้างคลื่นเสียงที่จะสะท้อนกลับมาจากวัตถุที่อยู่ใกล้

ในบรรทัดที่ 28 เราจะหาว่า sensor ใช้เวลาเท่าไหร่ในการตรวจจับเสียงสะท้อน ข้อมูลนี้สำคัญมากสำหรับการคำนวณระยะทางในบรรทัดที่ 29 ซึ่งในกรณีนี้เราจะได้ระยะทางในหน่วยเซนติเมตร หลังจากนั้น ในบรรทัดที่ 30 ถึง 35 เราจะสั่งพิมพ์ค่าระยะทางออกมา

ส่วนสุดท้ายของ code คือ if-statement ที่จะสั่งให้ buzzer ทำงานเมื่อวัตถุอยู่ห่างจาก sensor ในระยะ 50 เซนติเมตรหรือใกล้กว่านั้น แต่หากเงื่อนไขนี้เป็นเท็จ buzzer ก็จะดับลง

,,,

และตอนนี้ก็ได้เวลามาดูกันแล้วว่ามันจะใช้งานได้ไหม ดังนั้นลองอัปโหลด code ลงบอร์ด Arduino ของคุณแล้วสนุกกับมันได้เลยครับ