מה יודע לעשות חיישן מרחק תעשייתי, שעולה יותר מפי מאה מהחיישנים הסיניים המוכרים לכל מייקר?

בהרצאה שלי על תנועת המייקרים ציינתי, שאחד הגורמים העיקריים ליצירה של קהילת החובבים היה הסינים – ליתר דיוק, לוחות ומוצרי הפיתוח הזולים שהגיעו במחירי משלוח אפסיים מסין עד הבית. הדבר התאפשר, חלקית, בזכות עלויות ייצור ושכר עבודה נמוכים, אבל במידה רבה גם בזכות ויתור משמעותי על איכות הרכיבים, התכנון, ההרכבה והבדיקה.

בעבר, הלקוחות היחידים של מודולים אלקטרוניים (בניגוד למוצרי מדף שלמים) היו בתחומי תעשייה, ביטחון, מחקר וכדומה, ולקוחות אלה דרשו איכות גבוהה והיו מסוגלים ומוכנים לשלם תמורתה. כעת – כלומר, עם הופעת הארדואינו – צץ שוק חדש, עם דרישות מינימליות וארנק קטן, והסינים פעלו בהתאם. עד כדי כך שאפשר למצוא חיישן מרחק "קלאסי" למייקרים מסוג HC-SR04 במחיר של פחות מדולר ליחידה, כולל משלוח.

עם זאת, השוק ה"רציני" לא נעלם ולא הנמיך את הסטנדרטים, והמערכות שמיועדות לו עדיין משתמשות ברכיבים ובמודולים יקרים – ובשאיפה גם טובים – בכמה סדרי גודל מאלה הסיניים. כך, במסגרת בדיקת היתכנות מסוימת, הגיע לידיי (בהשאלה כמובן) חיישן מרחק אולטראסוני תעשייתי מסדרת HRXL MaxSonar WR של חברת MaxBotix, שמחירו המומלץ הוא כ-$110 ליחידה. החיישן הזה אמור להיות עמיד בפני מים, להתברג לצינורות סטנדרטיים ("1 NPS), למדוד מרחק בין 30 סנטימטרים ל-5 מטרים ברזולוציה של מילימטר אחד (אם כי בדיוק של עד פלוס/מינוס אחוז!), ולמסור את תוצאות המדידה במגוון ערוצים: מתח אנלוגי, רוחב פולס ופלט "טקסט" סריאלי.

כל האלקטרוניקה המעניינת טבועה בתוך יציקה מאסיבית, כך שאי אפשר לראות אותה בלי להשמיד את החיישן. אנחנו יכולים לראות רק משטח מתכת מקדימה (הפיאזו שמפיק את הצליל העל-קולי), ושורה של חורים בריווח 2.54 מ"מ מאחור. למי שמודאג מרטיבות באזור הזה, אפשר לקנות חיישנים עם צמת חוטים מוכנה והרמטית. על ה-PCB בין החורים ליציקה רואים, בקושי רב, משהו שנראה כמו החצי התחתון של המילים RoHS ו-Patented, הגיוני אבל לא מקדם אותנו בהרבה.

ה-Datasheet מספר לנו מה כל אחד מהחורים עושה. הראשון הוא חיבור אופציונלי לחיישן טמפרטורה חיצוני (לקיזוז טוב יותר של השפעות חום/קור על החיישן). שני הבאים הם פלט רוחב פולס ופלט אנלוגי, אחר כך טריגר לביצוע מדידות, ולסיום פלט סריאלי, כניסת מתח חיובי (2.7-5.5V) ואדמה. צריכת הזרם היא כ-2.3 עד 3.1 מיליאמפר במנוחה, וכ-50 עד 100 מיליאמפר בזמן שידור הצליל, תלוי איזה מתח מספקים לחיישן.

בואו נחבר חשמל, קבל 100uF לאספקת החשמל כפי שמומלץ ב-Datasheet וסקופ, ונראה. ראשית, הנה פלט רוחב פולס (Pulse Width) בודד שהופק כשהחיישן "הסתכל" משפת השולחן היישר כלפי מטה: סיגנל HIGH שרוחבו 725 מיקרו-שניות, כשכל מיקרו-שנייה מייצגת מילימטר אחד.

פין הטריגר כולל נגד pull-up פנימי, כך שכל עוד אנחנו לא מושכים אותו בכוונה ל-GND הוא מבצע מדידות עוקבות באופן אוטומטי. כך הן נראות בסקופ – הפעם כשהחיישן מול כדור של חוט צמר עבה, שמונע מהצליל לחזור וגורם לחיישן לחשוב שהוא מול האוויר הפתוח. במקרה כזה הוא מחזיר את המדידה המקסימלית לדגם זה, 5000 מ"מ.

והנה הפלט האנלוגי, שהתקבל כשקירבתי את היד באיטיות אל החיישן. אגב, כמו בכל חיישן אולטראסוני שאני מכיר, כשמקרבים את האוזן לחיישן אפשר לשמוע את התקתוקים העדינים והמהירים של הפיאזו.

הפלט האנלוגי קצת יותר רועש ומורכב להבנה. טווח הפלט כמובן GND עד Vcc, אבל הוא מתעדכן "בקפיצות" (עם כל מדידה) ונראה שצריך לסנן אותו בזהירות לפני שמחברים לאיזה ADC ומסיקים מסקנות.

הפלט האחרון, והמדויק ביותר (מבחינת רזולוציה), הוא פלט ה-"TTL", שהוא למעשה UART סטנדרטי – 9600 באוד, 8 ביטים, ללא Parity ועם Stop bit יחיד, בדיוק כמו ברירת המחדל של ארדואינו. הנה הפלט ממרחק 74 ס"מ, שימו לב לאות R שמתחילה כל שידור ול-CR (שזה 13 בקוד ASCII) בסיום:

גם פלט זה יוצא אוטומטית אחרי כל מדידה, שזה בערך כל 150 אלפיות השנייה או כ-6.7 פעמים בשנייה:

בכל אופני הפלט, הטווח – אחרי תרגום למילימטרים – הוא תמיד 300 (אם המטרה במרחק 30 ס"מ או פחות) עד 5000, כולל. יש דגם דומה שמגיע עד 10000 מ"מ, למי שרוצה, בתוספת $10.

לסיכום, נראה שהחיישן עושה את העבודה שלו היטב ובלי חוכמות, ובמחיר כזה אפשר לקוות שהוא באמת עמיד לפגעי מזג האוויר כפי שהיצרן מבטיח. קשה לדמיין מייקר טיפוסי קונה דבר כזה לפרויקט ביתי, אבל למוצר או פיתוח תעשייתי שדורש אמינות גבוהה לאורך זמן, זה בהחלט הכיוון – ולו רק בשביל השקט הנפשי של המפתח ושל הלקוח. אם זה לא מספיק ואתם רוצים לעשות עוד יותר רושם, תמיד אפשר למצוא חיישני מרחק אולטראסוניים באלף דולר ומעלה…