No.430

อภิรักษ์ นามแถ่ง

 

 

ตลับเมตรเป็นเครื่องมือสำหรับวัดระยะทาง โดยทั่วไปแล้วสายวัดจะเป็นโลหะบางเก็บอยู่ในตลับ แต่ถ้าการวัดในพื้นที่ที่ไม่สะดวกต่อการลากสายการวัดระยะทางนั้นจะทำได้ลำบาก และด้วยเหตุนี้จึงเครื่องมือนี้ขึ้นมา เพื่อไม่เป็นการเสียเวลาเชิญอ่านบทความต่อได้เลยครับ

 

     ตลับเมตรไร้สายระบบอัลตราโซนิก นี้เป็นโครงงานที่จะช่วยอำนวยความสะดวกให้ท่านสามารถวัดระยะทางได้สะดวกรวดเร็ว ไม่ต้องลากสายเหมือนการวัดด้วยตลับเมตรแบบเดิมๆ อีกต่อไป อีกทั้งยังสามารถวัดได้ในสภาวพแวดล้อมที่การลากสายวัดทำได้ลำบาก อาทิเช่น ในที่แคบหรือบริเวณพื้นที่ที่มีสิ่งกีดขวางและอุปสรรคต่างๆ เป็นต้น เนื่องจากการวัดในโครงงานนี้ใช้หลักการส่งสัญญาณในรูปแบบของความถี่เสียงอัลตราโซนิกส่งไปยังวัตถุหรือผนังที่ต้องการวัดระยะและคำนวนเวลาการสะท้อนกลับแปลงมาเป็นระยะทาง คลื่นอัลตราโซนิกที่ว่านี้มีความถี่ 40 กิโลเฮิรตซ์ซึ่งเป็นคลื่นเสียงที่เดินทางในอากาศด้วยความเร็วมาก ดังนั้นจึงทำให้การวัดทำได้อย่างรวดเร็วและแม่นยำนั่นเอง

 

          ข้อดีของเครื่องวัดระยะทางแบบไร้สาย คือ ใช้งานง่ายไม่ต้องเสียเวลาม้วนเก็บ การแสดงผลก็รวดเร็วทันใจ ถึงแม้จะมีสิ่งกีดขวางหรืออุปสรรคต่างๆ ก็ยังสามารถวัดและคำณวนพื้นที่ได้ เพียงแค่หันอัลตราโซนิกไปยังจุดที่ต้องการวัดแล้วกดปุ่ม เพียงเท่าแค่นี้ก็รู้ระยะทางแล้ว แถมยังสามารถวัดในสถานที่มืดได้ด้วยเนื่องจากการแสดงผลใช้ LCD ที่มีไฟส่องพื้นหลัง สามารถมองเห็นได้ ไม่ต้องใช้ไฟฉายส่องสายวัดให้ยุ่งยาก อีกทั้งการแสดงผลผู้เขียนได้กำหนดให้แสดงในหน่วยเซนติเมตรและนิ้ว ดังนั้นจึงสะดวกต่อการอ่านค่าและไม่ต้องแปลงหน่วยให้ยุ่งยากอีก ระยะที่โครงงานนี้สามารถวัดได้ คือ 2 เซนติเมตรถึง 4 เมตร (ตามคุณสมบัตรของโมดูลอัลตราโซนิก)

 

          อีกหนึ่งข้อดี คือ สามารถพกไปไหนมาไหนได้ทุกที่ตามที่คุณต้องการ เพราะตัวเครื่องมีน้ำหนักเบาพกพาง่าย เนื่องจากมีขนาดเล็กไม่เกะกะเทอะทะ ใช้แบตเตอรี่ 9 โวลต์เป็นแหล่งจ่าย หากไฟหมดก็สามารถซื้อเปลี่ยนได้ทันที หรือถ้าหากท่านมีแบตเตอรี่สำรอง (Power bank) สำหรับโทรศัพท์ก็สามารถนำมาใช้งานได้เลยทันที ซึ่งผู้เขียนได้ออกแบบให้สามารถเลือกใช้ได้แล้วแต่ความสะดวกของท่านผู้ใช้

 

 

รูปที่ 1 วงจรสมบูรณ์

 

หลักการทำงาน

 

          รูปที่ 1 เป็นวงจรสมบูรณ์ของโครงงานนี้ จะเห็นว่าวงจรมีไม่มาก หัวใจหลักจะใช้ Arduino UNO เป็นตัวประมาณผลทั้งหมด ได้แก่ ควบคุมการแสดงผลผ่าน LCD ขนาด 16 ตัวอักษร 2 บรรทัด, อ่านค่าการกดสวิตช์สำหรับวัดค่า (SW2) และอ่านค่าระยะทางจากอัลตราโซนิก มาเริ่มทำความเข้าใจกับการทำงานของวงจรได้เลยครับ

 

          ระบบอัลตราโซนิก (Ultrasonic) หมายถึง คลื่นเสียงที่มีความถี่สูงเกินกว่าที่หูมนุษย์จะได้ยิน โดยทั่วไปแล้วหูของมนุษย์โดยเฉลี่ยจะได้ยินเสียงสูงถึงเพียงแค่ประมาณ 15 KHz เท่านั้น ดังนั้นคลื่นเสียงอัลตราโซนิกจึงหมายถึงคลื่นเสียงที่มีความถี่สูงกว่า 20 KHz ขึ้นไป แต่จะมีความถี่สูงแค่ไหนนั้นไม่ได้ระบุเอาไว้ เนื่องจากขึ้นอยู่กับลักษณะการใช้งาน

 

          สาเหตุที่มีการนำเอาคลื่นย่านอัลตราโซนิกมาใช้ก็เพราะว่าเป็นคลื่นทีมีทิศทางทำให้เราสามารถใช้คุณสมบัตินี้มาใช้งานได้ โดยใช้หลักการสะท้อนกลับของคลื่นเสียงของเป้าหมายที่ต้องการ ซึ่งการมีทิศทางของคลื่นเสียงย่านอัลตราโซนิกทำให้เรานำไปใช้งานได้หลายอย่าง เช่น นำไปใช้ในเครื่องควบคุมระยะไกล (Ultrasonic remote control) เครื่องล้างอุปกรณ์ (Ultrasonic cleaner) โดยให้น้ำสั่นที่ความถี่สูง เครื่องวัดความหนาของวัตถุโดยสังเกตระยะเวลาที่คลื่นสะท้อนกลับมา เครื่องวัดความลึกและทำแผนที่ใต้ท้องทะเล ใช้ในเครื่องหาตำแหน่งอวัยวะบางส่วนในร่างกาย ใช้ทดสอบการรั่วไหลของท่อ เป็นต้น

 

          รูปที่ 3 เป็น Timing Diagram กระบวนการทำงานของอัลตราซิก โดยจะเริ่มจากการส่งสัญญาณลอจิกสูง (Logic High) ที่ขา Trig ยาว 10 ไมโครวินาที เพื่อกระตุ้นให้แหล่งกำเนิดเสียงทำงาน จากนั้นจะส่งพัลส์ความถี่ 40 kHz ออกไป 8 ลูก แล้วก็รอเสียงที่จะสะท้อนกลับมาที่ขา Echo ซึ่งโมดูลอัลตราโซนิกจะมีอยู่ 2 ตัว หนึ่งตัวจะเป็นตัวส่งคลื่นเสียงออกไปส่วนอีกตัวจะเป็นตัวรับความถี่ที่สะท้อนกลับมา และเนื่องจากคุณสมบัติของอุปกรณ์ที่ใช้ในการกำเนิดเสียงมีลักษณะเป็นลำโพง (Horn) จึงทำให้อัลตราโซนิกที่นำมาใช้นี้มีมุมวัด 15 องศา (Measuring Angle) และสามารถวัดระยะห่างได้ตั้งแต่ 2 เซนติเมตรถึง 4 เมตร

 

 

รูปที่ 4 ตัวอย่างการคำนวณเมื่อวัดระยะ 10 เซนติเมตร

 

          รูปที่ 4 เป็นตัวอย่างการวัดที่ระยะ 10 เซนติเมตร โดยใช้ความเร็วของเสียงคือ 340 เมตร/วินาทีหรือ 0.034 เซนติเมตร/ไมโครวินาที ดังนั้นคลื่นเสียงจะต้องเดินทางประมาณ 294 ไมโครวินาที แต่ค่าที่ได้จากขา Echo จะต้องหาร 2 ก่อนนำไปใช้งาน เนื่องจากคลื่นเสียงจะใช้เวลาเดินทางไปและสะท้อนกลับ ดังนั้นการจะได้ระยะทางที่แท้จริงจะต้องหารด้วย 2 และถ้าจะแปลงเป็นหน่วยเซนติเมตรจะต้องเอาระยะที่ได้คูณด้วย 0.034 และหารด้วย 2 อีกทีหนึ่ง

 

          การทำงาน Arduino UNO จะประกาศใช้งานขา Trig ไว้ที่ขา 12 และขา Echo ที่ขา 11 ในส่วนของค่าระยะเวลาที่อ่านได้จากขา Echo จะถูกเก็บไว้ที่ตัวแปร duration ซึ่งตัวแปรนี้จำเป็นต้องประกาศให้เป็น Long เนื่องจากค่าระยะทางนี้จะมีค่าสูงเป็นหลักหลายพันถึงหลักหมื่นนั่นเอง (ที่ระยะทาง 170 เซนติเมตรค่า duration นี้จะเท่ากับ 10,000)

 

 

รูปที่ 5 การประกาศตัวแปรสำหรับโปรแกรม Arduino

 

          การทำงานของ LCD ขนาด 16 ตัวอักษร 2 บรรทัด ในส่วนของการเชื่อมต่อกับ LCD ใช้การสื่อสารอนุกรมแบบ I²C (Inter-Integrated Circuit) ซึ่งการสื่อสารแบบนี้จะใช้เพียง 2 ขาเท่านั้น หากเทียบกับการเชื่อมต่อโดยตรงระหว่าง LCD กับ Arduino นั้นจะใช้ขาเยอะมาก (อย่างต่ำ 6 ขา) ทำให้เปลืองขาที่อาจจะต้องไปใช้งานกับอุปกรณ์ต่อพ่วงอื่นๆ ดังนั้นจะมีการพัฒนานำเอา I²C มาประยุกต์ใช้งานกับ LCD โมดูล เพื่อที่จะลดจำนวนขาที่ต้องใช้จำนวนมาก ให้เหลือเพียง 2 สายเท่านั้น คือขา SCL และ SDA นอกจากนี้ยังสามารถนำขาดังกล่าวนี้ติดต่อกับอุปกรณ์อื่นที่ใช้ I²C ได้บนสายเดียวกันด้วย

 

          หัวใจของ I²C โมดูล คือไอซี PCF8574 ซึ่งทำหน้าที่รับสัญญาณอินพุต I²C มาจาก Arduino จากนั้นจะกำหนดสภาวะเอาต์พุตสำหรับสั่งงาน LCD ให้ทำงานตามคำสั่ง ที่ขา A0, A1 และ A2 (ขา1-3) จะใช้กำหนดตำแหน่ง (Address) สำหรับเข้าถึง LCD ดังที่กล่าวไว้ข้างต้นว่าขา I²C นี้เราสามารถเชื่อมต่ออุปกรณ์ได้หลายตัว ดังนั้นจึงต้องกำหนดตำแหน่งของอุปกรณ์ไว้ด้วย ตัวอย่างเช่น หากงานของท่านจำเป็นต้องใช้ LCD หลายตัว Address นี้เพื่อจะใช้เพื่อเลือกควบคุมจอ LCD ตัวใดตัวหนึ่งได้ ซึ่งโครงงานนี้จะเชื่อมต่อลงกราวด์ของวงจร นั่นแสดงว่าผู้เขียนกำหนดตำแหน่งให้เป็น “000” นั่นเอง ที่ขา 3 ของแอลซีดีจะต่อกับ VR1 (10K) เพื่อทำการปรับระดับความเข้มของตัวอักษรบนหน้าจอ LCD

           

          การใช้งานจะมีสวิตช์อยู่ 2 ตัว โดย SW1 จะใช้สำหรับเปิด-ปิดแรงดัน 9 โวลต์ที่ต่ออยู่กับ CON1 และในส่วนของ SW2 ใช้กดเพื่อวัดระยะทาง ทั้งนี้เพื่อไม่ให้ Arduino วัดตลอดเวลา ซึ่งเหมาะสำหรับท่านที่ต้องการคงค่าไว้บนหน้าจอ LCD แต่ถ้าหากต้องการให้ Arduino วัดค่าตลอดเวลาท่านสามารถกด SW2 ค้างไว้ได้

 

 

 

รูปที่ 8 การบัดกรีคอนเน็กเตอร์ของ LCD

 

การประกอบ

 

          รูปที่ 7 เป็นตำแหน่งการลงอุปกรณ์ของโครงงานนี้ จะสังเกตว่าลายวงจรนั้นมีเพียงด้านบน (Top Layer) และอุปกรณ์ก็จะลงทางด้านบนด้วย (Top Overlay) การลงอุปกรณ์จะค่อนข้างยากกว่าโครงงานทั่วไปสักหน่อย เพราะอุปกรณ์จะบัดกรีด้านลายวงจรพิมพ์ ดังนั้นจึงต้องสังเกตจุดบัดกรีให้ดีและควรใช้หัวแร้งปลายเล็กๆ เพื่อให้สามารถบัดกรีตำแหน่งใต้คอนเน็กเตอร์ได้ดังแสดงในรูปที่ 8

 

          เนื่องจากอุปกรณ์มีน้อยชิ้น แต่ถึงแม้ว่าอุปกรณ์น้อยชิ้นแต่การลงอุปกรณ์นั้นค่อนข้างยุ่งยากพอสมควร จึงควรต้องลงอุปกรณ์ อย่างไรก็ตามการลงอุปกรณ์ก็ควรเริ่มจากตัวที่มีความสูงน้อยที่สุดก่อน อาทิเช่น ลวดจั๊มและตัวต้านทาน เป็นต้น จากนั้นจึงไล่เรียงตามลำดับความสูงจนกระทั่งครบทุกตัว ในส่วนของไอซี IC1 (PCF8574) เป็นประเภท SMD ควรต้องใช้ความระมัดระวังเรื่องความร้อนขณะบัดกรีด้วย เพราะหากแช่หัวแร้งนานจนเกินไปอาจจะทำให้ IC1 เสียหายได้ แต่ก็อย่ากังวลมากจนเกินไป เพราะอันที่จริงหากไม่แช่หัวแร้งไว้นานๆ ก็คงไม่พังง่ายๆ ครับ

 

          เมื่อลงอุปกรณ์จนครบหมดแล้วให้ตรวจสอบแรงดันในวงจรทั้งหมดเสียก่อน โดยให้ใส่บอร์ด Arduino UNO ลงบนซ็อกเก็ตก่อน จากนั้นให้อ้างอิงกับรูปที่ 1 และป้อนแหล่งจ่ายไฟ 9 โวลต์ต่อเข้า CON1 หรือเชื่อมต่อเข้าพอร์ท USB หากใช้แหล่งจ่ายเป็น Power Bank (ดังแสดงในรูปที่ 9) จะต้องระมัดระวังเรื่องตำแหน่งขั้วด้วย จากนั้นให้นำโวลต์มิเตอร์มาวัดระหว่างขา 1 และขา 16 ของ IC1 (หรือขา 1 และ 2 ของ LCD) ถ้าถูกต้องแรงดันที่ได้จะต้องเท่ากับ 5 โวลต์ หากแรงดันที่ได้เป็นไปตามนี้แสดงว่าพร้อมจะทดสอบการทำงานขั้นตอนต่อไปแล้ว 

 

 

รูปที่ 9 การเชื่อมต่อกับแหล่งจ่ายไฟ (เลือกระหว่างแบตเตอรี่ 9 โวลต์กับ Power Bank)

 

ทดสอบการทำงาน

 

          เมื่อมั่นใจว่าการลงอุปกรณ์ถูกต้องครบทุกอย่างแล้วให้ใส่อุปกรณ์ที่เหลือทั้งหมดลงตำแหน่ง จากนั้นให้ไปดาวน์โหลดโปรแกรม Arduino IDE เวอร์ชัน 1.6.4 มาไว้ที่เครื่องคอมพิวเตอร์ของท่าน เนื่องจากไลบรารี่ที่ใช้ร่วมกับโครงงานนี้จะรองรับที่เวอร์ชันดังกล่าวนี้ หากใช้เวอร์ชันอื่นอาจจะไม่สามารถใช้งานโปรแกรมนี้ได้ สามารถไปดาวน์โหลดโปรแกรม Arduino IDE เวอร์ชัน 1.6.4 ได้ที่เว็บไซต์ https://www.arduino.cc/en/Main/OldSoftwareReleases#previous (ดังแสดงในรูปที่ 10)

 

 

รูปที่ 10 เว็บไซต์สำหรับดาวน์โหลด Arduino IDE เวอร์ชัน 1.6.4

 

          หลังจากนั้นไปดาวน์โหลดไฟล์ที่ใช้ร่วมกับโครงงานที่เว็บไซต์ http://electronics.se-ed.com/download ให้ทำการเปิดไฟล์ SemiUltrasonic.ino พร้อมกับทำการอัพโหลดโปรแกรม เมื่อเสร็จแล้วที่หน้าจอ LCD จะแสดงข้อความ “SEMI TAPE” ในบรรทัดแรกและ “READY” ในบรรทัดที่สอง (ดังแสดงในรูปที่ 11)

 

 

รูปที่ 11 หน้าจอ LCD แสดงข้อความหลังจากเปิดเครื่อง

 

          จากนั้นให้ทดสอบวัดค่าโดยกด SW2 ค้างไว้ขณะนั้นที่หน้าจอจะแสดงระยะทางหน่วยเซนติเมตรในบรรทัดแรกและหน่วยนิ้วในบรรทัดที่สอง การวัดเทียบเพื่อหาความแม่นยำอาจจะใช้ไม้บรรทัดเข้ามาช่วยในการหาระยะที่วัดได้ หากผลที่ได้เป็นไปตามนี้แสดงว่าตลับเมตรไร้สายของท่านนั้นพร้อมใช้งานแล้ว

 

สำหรับการใช้งานจริงท่านผู้อ่านอาจจะนำ Laser pointer มาช่วยในการชี้จุดวัด โดยนำมาติดตรงกลางระหว่างโมดูลอัลตราโซนิก เนื่องจากคลื่นอัลตราโซนิกนั้นเป็นคลื่นเสียง แน่นอนว่าไม่สามารถมองเห็นจุดกระทบได้ การนำ Laser pointer มาช่วยวัดนั้นจะทำให้ท่านทราบถึงตำแหน่งที่เราวัดได้อย่างชัดเจนนั่นเอง

 

ตำแหน่งการลงอุปกรณ์

ตัวต้านทาน ¼ วัตต์ +/-5%
R1 22 1 ตัว
R2 4.7k 1 ตัว
VR1 ตัวต้านทานปรับค่าได้ 10k 1 ตัว

ตัวเก็บประจุ
C1 100uF 1 ตัว
C2 0.1uF 1 ตัว

อุปกรณ์สารกึ่งตัวนำ
IC1 PCF8574 1 ตัว

อื่นๆ
CON1 คอนเน็กเตอร์ 2 ขา 1 ตัว
LCD1 แอลซีดีขนาด 16 ตัวอักษร 2 บรรทัด 1 ตัว
SW1 สวิตช์เลื่อน 3 ขา 1 ตัว
SW2 สวิตช์กดติดปล่อยดับตัวใหญ่ 1 ตัว
ULTRASONIC โมดูลอัลตราโซนิก HC-SR04 1 ตัว

หมายเหตุ ซอร์สโค้ดที่ใช้ร่วมกับโครงงานสามารถดาวน์โหลดที่เว็บไซต์ http://electronics.se-ed.com/download