Czujnik odległości do drukarni na Arduino Nano

[norbineo3]

1. Cel i przeznaczenie

Celem projektu było zbudowanie kompaktowego urządzenia do ciągłego pomiaru odległości między czujnikiem a rolką papieru w drukarce/urządzeniu poligraficznym. Gdy odległość przekroczy wartość graniczną zapisaną w parametrze $Limit, system uruchamia sygnalizację optyczną (migającą diodę LED) oraz przekazuje komunikaty na wyświetlaczu LCD. Zadaniem układu jest wczesne informowanie obsługi o zbliżającym się wyczerpaniu papieru, co pozwala zaplanować wymianę rolki bez przestojów. Urządzenie może pracować w środowisku produkcyjnym – obudowa zabezpiecza elektronikę przed uszkodzeniami mechanicznymi i kurzem.

Uwaga dot. platformy sterującej: w fazie prototypu testy prowadzono na Arduino Uno, natomiast wersja docelowa została zrealizowana na Arduino Nano (ATmega328) z nakładką terminalową (shield) dla wygodniejszego okablowania i kompaktowej zabudowy.

2. Zasada działania

Ultradźwiękowy czujnik HC‑SR04 generuje krótkie impulsy dźwiękowe i mierzy czas powrotu fali odbitej od powierzchni rolki. Na podstawie zmierzonego czasu obliczana jest odległość. Wynik pomiaru jest cyklicznie przesyłany do mikrokontrolera (Arduino Nano), który:

• porównuje aktualną odległość z wartością $Limit ustawianą potencjometrem (rezystorem nastawnym) na panelu,
• steruje diodą LED – przy przekroczeniu limitu uruchamia miganie,
• prezentuje użytkownikowi kluczowe dane na wyświetlaczu LCD 2×16 poprzez interfejs I²C (konwerter LCM1602).

Typowe komunikaty na LCD:

• bieżąca odległość od rolki,
• aktualna wartość parametru $Limit,
• komunikat alarmowy: „Poza limit ($Limit), nowa rolka” po przekroczeniu progu.

Aby zapewnić stabilność wskazań, w programie zastosowano proste uśrednianie kilku kolejnych pomiarów (filtrację), co ogranicza wpływ pojedynczych zakłóceń akustycznych. Miganie diody jest wyraźne i dobrze widoczne z typowej odległości stanowiska operatora.

3. Elementy i wykonanie mechaniczne

Konstrukcja mieści się w obudowie G205CMF (poliwęglan, 115×65×55 mm, IP65). Obudowa posiada otwory wyłącznie w miejscach niezbędnych do prawidłowej pracy czujnika i wyprowadzeń przewodów, co minimalizuje wnikanie zanieczyszczeń. Zastosowano:

• Arduino Nano (ATmega328) z nakładką terminalową (shield) – łatwe przyłącza przewodów,
• czujnik HC‑SR04,
• wyświetlacz LCD 2×16 + konwerter I²C LCM1602,
• potencjometr helipot POT2218M‑10K (wieloobrotowy, charakterystyka liniowa) do regulacji $Limit,
• zespół sygnalizacji optycznej: dioda LED DLA/6SRD (zestaw 6 diod w korpusie 20 mm; wykorzystywane są 3 diody ze względu na minimalizację przewodów),
• przewody sygnałowe 2×15 m do połączenia zespołu diod ze sterownikiem,
• magnesy neodymowe w module głównym i diodzie – umożliwiają szybki, bez narzędziowy montaż i repozycjonowanie.

 

4. Zasilanie i interfejs serwisowy

Urządzenie może być zasilane z gniazda USB typu B albo z baterii 9 V umieszczonej w dedykowanym koszyku. Port USB pełni również funkcję wejścia serwisowego do wgrywania i aktualizacji oprogramowania. Do obsługi wyświetlacza zastosowano bibliotekę LiquidCrystal_I2C (załączona do projektu).

 

5. Montaż i uruchomienie

1. Montaż mechaniczny: zamocować obudowę i moduł diody LED za pomocą magnesów w miejscu zapewniającym stabilny pomiar – czujnik powinien „widzieć” gładką część rolki pod możliwie prostopadłym kątem.
2. Okablowanie: podłączyć przewody sygnałowe zespołu diod, upewnić się, że nie są narażone na przetarcia.
3. Zasilanie: podłączyć USB B lub włożyć baterię 9 V.
4. Kalibracja $Limit: na pełnej rolce ustawić potencjometrem próg tak, aby sygnalizacja nie była aktywna. Następnie stopniowo zmniejszać papier na rolce (lub odsunąć rolkę), aż uzyska się oczekiwany punkt zadziałania i skorygować ustawienie.
5. Weryfikacja: sprawdzić poprawność komunikatów na LCD oraz działanie migania po przekroczeniu limitu.

 

6. Eksploatacja i konserwacja

• Okresowo czyścić okienko czujnika z kurzu i pyłu miękką ściereczką.
• Sprawdzać mocowanie magnesów i stan przewodów, zwłaszcza w pobliżu ruchomych elementów maszyny.
• W razie zmiany średnicy nowych rolek lub innej konfiguracji stanowiska ponownie skalibrować $Limit.
• Nie kierować strumienia sprężonego powietrza bezpośrednio w czujnik – może to zakłócać pomiary.

 

7. Ograniczenia i zalecenia

Czujniki ultradźwiękowe najlepiej współpracują z twardymi, gładkimi i prostopadłymi powierzchniami. W przypadku bardzo małych odległości lub powierzchni pochylonych pomiar może być mniej stabilny – w takich sytuacjach zaleca się ponowną kalibrację i ewentualną korektę położenia czujnika. Rekomendowany dystans roboczy to zakres, w którym wskazania są powtarzalne przy typowych warunkach hałasu akustycznego linii.

8. Testy odbiorcze

Po montażu wykonano testy:

• test poprawności pomiaru (seria odczytów w kilku znanych dystansach),
• test progu $Limit (sprawdzenie, czy miganie i komunikat uruchamiają się przy przekroczeniu ustawionego dystansu),
• test czytelności LCD i reakcji potencjometru,
• test ciągłości przewodów zespołu diod na pełnej długości 2×15 m.

 

9. Załączniki

• Zał. 1: schemat połączeń elementów – schemat.pdf
• Zał. 2: kod programu wgrany do procesora – project.cpp

Zał.2

Kod programu do Arduino:

#include <Wire.h>
#include <LiquidCrystal_I2C.h>

#define TRIG_PIN 8
#define ECHO_PIN 7
#define LED_PIN_1 13 // Definiujemy pin dla pierwszej diody LED
#define LED_PIN_2 2   // Definiujemy pin dla drugiej diody LED
#define LED_PIN_3 3   // Definiujemy pin dla trzeciej diody LED
#define POT_PIN A7    // Definiujemy pin dla potencjometru

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27, 16, 2); // Ustawiamy adres LCD

unsigned long lastDisplayTime = 0; // Przechowywanie czasu ostatniego wyświetlenia
bool displayState = true; // Stan wyświetlania informacji

float Limit = 60.0; // Ustawienie domyślnego limitu na 60 cm

void setup() {
    Serial.begin(9600); // Inicjalizacja komunikacji szeregowej
    pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT); // Trig ustawiamy jako wyjście
    pinMode(ECHO_PIN, INPUT);   // Echo ustawiamy jako wejście
    pinMode(LED_PIN_1, OUTPUT);  // Ustawiamy pin pierwszej diody LED jako wyjście
    pinMode(LED_PIN_2, OUTPUT);  // Ustawiamy pin drugiej diody LED jako wyjście
    pinMode(LED_PIN_3, OUTPUT);  // Ustawiamy pin trzeciej diody LED jako wyjście
    digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
    digitalWrite(LED_PIN_1, LOW);  // Upewniamy się, że diody LED są na początku wyłączone
    digitalWrite(LED_PIN_2, LOW);
    digitalWrite(LED_PIN_3, LOW);

    lcd.init(); // Inicjalizacja LCD
    lcd.backlight(); // Włączenie podświetlenia LCD
}

void loop() {
    long Time;
    float Distance;

    // Odczyt z potencjometru i przekształcenie na wartość limitu
    int potValue = analogRead(POT_PIN); // Odczyt wartości z potencjometru (0-1023)
    Limit = map(potValue, 0, 1023, 30, 94); // Mapowanie wartości z zakresu 0-1023 na zakres 30-94

    digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
    delayMicroseconds(10);
    digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);

    Time = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH); // Pomiar czasu trwania impulsu zwrotnego z pinu Echo

    // Oblicz odległość w centymetrach
    Distance = (Time * 0.0343) / 2;

    // Wydrukuj wynik w centymetrach na konsoli szeregowej
    Serial.print("Odległość: ");
    Serial.print(Distance);
    Serial.print(" cm, Limit: ");
    Serial.print(Limit);
    Serial.println(" cm"); // Dodaj nową linię po wydruku

    // Sprawdzenie odległości i wyświetlanie odpowiedniego komunikatu
    lcd.clear(); // Czyszczenie wyświetlacza
    if (Distance > Limit) { // Zmiana warunku na użycie zmiennej Limit
        lcd.setCursor(0, 0);
        lcd.print("Poza limit ");
        lcd.print(Limit);
        lcd.setCursor(0, 1);
        lcd.print("Nowa rolka !!!");

        // Mryganie diodami LED co pół sekundy
        static unsigned long lastBlinkTime = 0; // Przechowywanie czasu ostatniego mrygnięcia
        static bool ledState = LOW; // Stan diod LED
        unsigned long currentMillis = millis(); // Zapisanie bieżącego czasu

        if (currentMillis - lastBlinkTime >= 500) { // Mryganie co 500 ms
            lastBlinkTime = currentMillis; // Zaktualizuj czas ostatniego mrygnięcia
            ledState = !ledState; // Zmień stan diod LED
            digitalWrite(LED_PIN_1, ledState); // Ustaw nowy stan pierwszej diody LED
            digitalWrite(LED_PIN_2, ledState); // Ustaw nowy stan drugiej diody LED
            digitalWrite(LED_PIN_3, ledState); // Ustaw nowy stan trzeciej diody LED
        }

    } else {
        digitalWrite(LED_PIN_1, LOW); // Zgaśnąć wszystkie diody LED, gdy odległość jest mniejsza lub równa Limit
        digitalWrite(LED_PIN_2, LOW);
        digitalWrite(LED_PIN_3, LOW);

        // Wyświetlanie informacji na LCD co 2 sekundy
        unsigned long currentMillis = millis();
        if (currentMillis - lastDisplayTime >= 2000) { // Co 2000 ms
            lastDisplayTime = currentMillis; // Zaktualizuj czas ostatniego wyświetlenia
            displayState = !displayState; // Zmień stan wyświetlania
        }

        if (displayState) {
            lcd.setCursor(0, 0);
            lcd.print("Zmierzono:");
            lcd.setCursor(0, 1);
            lcd.print(Distance);
            lcd.print(" cm   "); // Dodaj spacje na końcu, aby wyczyścić wcześniejsze znaki
        } else {
            lcd.setCursor(0, 0);
            lcd.print("Limit:");
            lcd.setCursor(0, 1);
            lcd.print(Limit);  // Wyświetlanie aktualnego limitu
            lcd.print(" cm   "); // Dodaj spacje na końcu, aby wyczyścić wcześniejsze znaki
        }
    }

    delay(2000); // Krótkie opóźnienie przed następnym pomiarem
}

schemat.pdf

[_LM_]

Fajne, ale ja bym dał krańcówkę na rolkę

[ethanak]

7 minut temu, _LM_ napisał:

Fajne, ale ja bym dał krańcówkę na rolkę

A ja jeszcze ToF zamiast ultradźwięku - tylko trzeba dobrać który układ.

[norbineo3]

Dzięki za komentarze, powiem tylko iż nie planowałem tego tak rozbudowywać. Nie myślałem o krańcówce, bo nie potrzebowałem takiego zabezpieczenia. Potrzebny mi był sygnał alarmowy, że kończy się papier. Nie jestem pewien, czy instalacja "krańcówki" nie byłaby ingerencją w sprzęt do drukowania (problem ew. gwarancji na sprzęt). Nie rozważałem też ToF zamiast ultradźwięku, bo nie zależało mi tak bardzo na dokładności pomiaru. Czujnik oparty na ultradźwiękach był po prostu tańszy i prostszy w implementacji. Ale dziękuję za komentarze.