interface com sensor ultrassonico

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EPUSP — PCS 3335 — Laboratório Digital A 
Interface com Sensor Ultrassônico de Distância (2016) 1 
RESUMO 
Esta experiência tem por objetivo desenvolver um circuito que realiza a interface com o sensor ultrassônico 
de distância HC-SR04. A implementação será desenvolvida com o dispositivo programável Altera Cyclone 
II EP2C35F672C6. 
OBJETIVOS 
Após a conclusão desta experiência, os seguintes tópicos devem ser conhecidos pelos alunos: 
 Medida de distância; 
 Sensor ultrassônico; 
 Máquina de estados; 
 Projeto em FPGA. 
1. ESPECIFICAÇÃO DO PROJETO 
Uma trena é um equipamento de medida de distâncias. Elas podem variar desde uma fita métrica, passando 
pelas trenas com fitas de aço, até as trenas digitais com medidas a laser (figura 1.1). 
 
Figura 1.1. Alguns medidores de distância. 
O sensor de distância é um componente essencial das trenas digitais. Tais sensores normalmente emitem 
um sinal eletromagnético para realizar a medida, conforme ilustrado na figura 1.2. Este sinal emitido reflete 
no objeto de interesse e depois é detectado pelo medidor. O intervalo de tempo entre a emissão e a 
recepção do sinal determina a distância entre a trena e o objeto. 
 
Figura 1.2. Esquema do processo de medida de distância com um sensor ultrassônico 
(adaptado de [Vahid, 2008]). 
Interface com Sensor Ultrassônico de Distância 
Versão 2016 
 
 
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Caso seja adotado um sensor ultrassônico de distância, o medidor emite um sinal com frequência 
ultrassônica que trafega na velocidade do som (aproximadamente 340 m/s a 15oC 1). Assim, a distância 
entre o sensor e o objeto de interesse D pode ser obtida pela expressão abaixo. 
D ≅
T
58,82
 
onde a distância D é medida em centímetros e o intervalo de tempo T, em microssegundos. 
1.1. Interface do HC-SR04 
O projeto desta experiência deve realizar a interface com o sensor ultrassônico de distância HC-SR04. A 
figura 1.3 abaixo ilustra os sinais de entrada e saída do sensor. Além dos pinos de alimentação (VCC e 
GND), o HC-SR04 possui um sinal de entrada TRIGGER e um sinal de saída ECHO. Convém notar que a 
especificação do sensor mostra que os sinais de sua interface seguem os níveis de tensão TTL, com 
VCC=5V. 
 
Figura 1.3. Sensor ultrassônico HC-SR04. 
O acionamento do sensor é realizado pelo envio de um pulso com 10µs de largura no pino TRIGGER. Em 
seguida, o sensor envia oito pulsos ultrassônicos para o processo de medida. Depois da recepção dos pulsos 
refletidos, o sinal de saída ECHO apresenta um pulso de resposta, cuja largura é proporcional à distância. 
Este processo de medida é ilustrado na figura 1.4 abaixo. 
 
Figura 1.4. Sinais do processo de medida com HC-SR04. 
 
 
1 A velocidade do som se caracteriza pelo fato de depender de alguns fatores, em particular, da temperatura ambiente. 
Embora seja comum adotar o valor de 340 m/s como a velocidade nominal de propagação do som na atmosfera, ela 
varia desde 319 m/s a -20oC até 355 m/s a 30oC. 
 
 
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1.2. Interface do Circuito 
O circuito deve somente iniciar sua operação com o acionamento do sinal MEDIR. Após o seu acionamento, 
o circuito deve gerar o pulso TRIGGER e aguardar o sinal de resposta ECHO. Em seguida, deve-se medir a 
largura do pulso de resposta em microssegundos e apresentar a MEDIDA na saída e ativar o sinal PRONTO. 
A figura 1.5 apresenta os principais sinais do circuito. 
 
Figura 1.5. Interface do circuito de interface com o sensor HC-SR04. 
Os sinais trigger e echo devem ser ligados ao sensor HC-SR04, e a saída medida deve ser apresentada 
em displays de 7 segmentos na placa DE2. 
1.3. Alguns Módulos do Projeto 
O projeto do circuito de interface com o sensor HC-SR04 pode ser projetado com o uso de alguns módulos, 
a saber: um gerador do pulso de Trigger de 10 microssegundos e um medidor da largura do pulso de 
resposta Echo em microssegundos. Estes módulos devem fazer parte do Fluxo de Dados do circuito digital 
e podem ser acionados pela Unidade de Controle conforme a sequência apresentada na figura 1.4. 
A interface do primeiro módulo é apresentada na figura 1.6 abaixo. O módulo gera um pulso em nível alto 
com 10 microssegundos de largura a partir do acionamento do sinal de entrada ENVIA. O sinal de saída 
PRONTO é acionado por um período de clock para indicar o término do pulso de saída. Tal sinal tem o 
propósito de sincronizar o funcionamento do circuito de controle. 
DICA DE PROJETO: este módulo deve ser projetado tendo como base um sinal de clock de 50MHz (que 
possui um período de 20 nanosssegundos). O tempo de 10 microssegundos pode ser analisado em função 
do período do sinal de clock. 
 
Figura 1.6. Interface do circuito gerador do pulso Trigger do sensor HC-SR04. 
O segundo módulo apresenta na saída MEDIDA a largura do pulso de entrada PULSO em microssegundos 
a partir do acionamento de MEDIR_LARGURA. Ao final da medida, o sinal de saída PRONTO indica que o 
resultado da medida está disponível para armazenamento ou processamento. 
DICA DE PROJETO: este módulo pode ser projetado tendo como base o circuito da experiência “Um Projeto 
em VHDL” com algumas alterações. A unidade de controle do módulo deve tratar o acionamento do sinal 
MEDIR_LARGURA e da saída PRONTO. Além disto, o uso de um sinal de clock de 50 MHz deve ser 
considerado para o processo de medida. 
 
Figura 1.7. Interface do circuito medidor da largura do pulso Echo do sensor HC-SR04. 
Interface com 
HC-SR04
MEDIDA
medir
clock
pronto
reset
Trigger Echo
Gerador do 
pulso de Trigger
envia
clock
trigger
pronto
Medidor da largura
do pulso de Echo
pulso
clock
medida
pronto
medir_largura
 
 
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A unidade de controle do circuito de interface com o sensor ultrassônico de distância HC-SR04 deve acionar 
os sinais de controle dos módulos apresentados aqui e verificar os respectivos sinais de status. 
DICA DE PROJETO: a figura 1.8 a seguir apresenta um diagrama ASM de alto nível do circuito de interface. 
O grupo deve considerar este diagrama para a elaboração do diagrama ASM da unidade de controle do 
projeto. 
 
Figura 1.8. Diagrama ASM de alto nível para o projeto da unidade de controle. 
 
 
 
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1.4. Restrições de Projeto 
Seguem abaixo algumas considerações sobre o desenvolvimento do projeto da experiência. 
 A implementação do circuito de interface deve ser sintetizada na placa DE2 da Altera. Os alunos 
devem levar em consideração o uso de técnicas de projeto de circuitos digitais síncronos, conforme 
estudado anteriormente; 
 A implementação deve conter componentes usando a linguagem de descrição de hardware VHDL; 
 A descrição VHDL do circuito deve ser feita com uma descrição estrutural, decomposta em fluxo 
de dados e unidade de controle; 
 Máquina de estados da Unidade de Controle: o funcionamento do circuito deve ser controlado 
pela UC e esta deve ser especificada através de um diagrama ASM; 
 O planejamento deve incluir um diagrama de blocos onde a interligação dos componentes deve ser 
documentada. 
1.5. Circuitos Integrados para Interfaceamento 
É comum em sistemas digitais incluir componentes que são alimentados com tensões diferentes. As tensões 
de alimentação podem variar desde tensões da ordem de 1V com circuitos LVCMOS (Low Voltage CMOS) 
ou 3,3V para LVTTL até tensões de cerca de 15V para componentesCMOS. 
Isto faz com que seja necessário o uso de componentes que realizam a conversão de níveis de tensão. 
Normalmente o uso de circuitos com saída em coletor aberto (TTL) ou dreno aberto (CMOS) realizam esta 
tarefa [Wakerly, 2006] como mostrado na figura 1.9. 
 
Figura 1.9. Interfaceamento com saída com coletor aberto. 
Atualmente, outras alternativas são permitidas. Esta seção apresenta dois circuitos integrados que serão 
usados nesta experiência. O primeiro é o 74LS365 que contém 6 buffers ou drivers de linha com 
capacidade de corrente alta. Uma saída TTL da série LS possui os parâmetros de corrente IOL e IOH iguais 
a 8 mA e -0,4 mA, respectivamente. Já o circuito 74LS365 apresenta valores iguais a 24 mA e -2,6 mA, 
respectivamente. A figura 1.10 mostra a pinagem deste circuito integrado. Convém ressaltar a necessidade 
de acionar as entradas OE1̅̅ ̅̅ ̅̅ e OE2̅̅ ̅̅ ̅̅ que controlam os buffers da pastilha. 
 
Figura 1.10. Circuito integrado 74LS365. 
 
 
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A alta capacidade de corrente permite que este circuito possa ser usado em vias de dados onde várias 
cargas podem ser conectadas entre si. Nesta experiência ela deve ser usada para ligar saídas LVCMOS da 
placa DE2 que possuem valores até 3,3V para os componentes ligados no painel de montagens alimentados 
com Vcc=5V. 
O segundo circuito integrado 74HC4050 contém 6 buffers com entradas tolerantes a sobre-tensão, ou 
seja, é possível que as entradas possuam tensão maior que o valor da alimentação. Esta característica 
permite sua utilização em aplicações em que é necessário o “abaixamento” de tensão: por exemplo, no 
interfaceamento de circuitos com Vcc=5V para circuitos com Vcc=3,3V. Para isto basta alimentá-lo com 
Vcc=3,3V e ligar suas entradas nos sinais do circuito de 5V. A figura 1.11 abaixo apresenta a interface 
deste circuito. 
 
Figura 1.11. Circuito integrado 74HC4050. 
Nesta experiência o 74HC4050 será usado para ligar as saídas dos circuitos em 5V do painel de montagens 
para as entradas LVCMOS com nível de tensão de 3,3V da placa Altera DE2. A figura 1.12 ilustra um 
esquema de ligação dos buffers. 
 
Figura 1.12. Ligação dos buffers entre a placa DE2 e o sensor HC-SR04. 
ATENÇÃO: cuidado com a pinagem do 74HC4050, em especial com os pinos referentes a alimentação do 
circuito integrado. Documente a numeração dos pinos no diagrama lógico da montagem experimental no 
Planejamento. 
 
sensor 
HC-SR04
(5V)
VCC=5V
Placa DE2
(GPIO 3,3V)
74LS365
74HC4050
VCC=3,3V
Trigger
Echo
 
 
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2. PARTE EXPERIMENTAL 
2.1. Atividades Pré-Laboratório 
Antes da realização do projeto da experiência, recomenda-se a realização da atividade de familiarização do 
sensor ultrassônico HC-SR04 que poderá ser conduzida nos horários de OpenLab. 
a) A familiarização do sensor ultrassônico HC-SR04 deve permitir conhecer com detalhes como é o seu 
funcionamento, limitações e valores extremos. A figura 2.1 apresenta o sensor HC-SR04 com seus 
sinais de controle. Após a leitura e estudo de sua documentação, elabore uma sequência de teste e 
verifique seu funcionamento. Documente os resultados obtidos. 
DICA: os sinais de interface do senso HC-SR04 seguem níveis de tensão TTL com Vcc=5V. Assim, a 
familiarização pode ser conduzida usando o painel de montagens experimentais usado nas 
primeiras experiências do semestre e disponível no Laboratório Digital. Visualize os sinais da interface 
com o uso de um osciloscópio digital. 
 
Figura 2.1. Sensor ultrassônico HC-SR04. 
b) Após a realização da familiarização, responda (com os valores experimentais medidos): 
1. Quais são os valores mínimo e máximo de distância que podem ser medidos experimentalmente? 
2. Quantos bits são necessários para que a saída do circuito de interface apresente o valor máximo de distância? 
3. Qual é a precisão da medida (diferença mínima distinguível)? 
4. O tempo de medida é fixo ou depende da distância medida? Explique como. 
5. O sensor funciona corretamente quando alimentado com Vcc=3,3V? Qual é seu comportamento? 
c) Desenvolva o projeto do circuito de interface com o sensor ultrassônico de distância, conforme 
especificação apresentada na seção 1.2. Apresente as decisões de projeto e detalhes do seu 
funcionamento. Acrescente com formas de onda das simulações do sistema digital e de suas partes. 
2.2. Montagem Experimental do Projeto 
d) O circuito projetado deve ser implementado na placa DE2 da Altera, e seguir a seguinte designação 
mínima de sinais: 
sinal pino 
MEDIR pino GPIO_1[0] 
CLOCK clock interno de 50MHz 
RESET pino GPIO_1[1] 
TRIGGER pino GPIO_1[2] 
ECHO pino GPIO_1[3] 
MEDIDA displays HEX0 a HEX3 
PRONTO led LEDG0 e pino GPIO_1[4] 
 
 
 
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Defina um conjunto de sinais de depuração que podem ser mostrados em leds e displays disponíveis. 
O planejamento deve conter uma tabela com a designação destes sinais adicionais. Incluir também o 
procedimento de depuração a ser adotado pelo grupo, com a adoção de ferramentas disponíveis (p.ex 
leds e displays da placa DE2, osciloscópio digital, ferramenta SignalTap II do Quartus II, etc). 
e) Programe o projeto sintetizado na placa DE2 no Laboratório Digital e teste o circuito. 
f) Relate quaisquer ocorrências experimentais. 
2.3. Desafio 
g) Uma modificação será apresentada ao professor. Implemente, documente e execute uma 
demonstração de seu funcionamento. 
h) Anote os resultados experimentais no relatório. 
2.4. Atividades Pós-Laboratório 
i) Após a conclusão das atividades experimentais, responda as perguntas abaixo. 
 
1. O sensor HC-SR04 apresenta sensibilidade a objetos próximos ao sensor? Como isto pode ser verificado? 
2. Faça medidas repetidas para um objeto a uma mesma distância. Qual foi a variação dos resultados obtidos? Explique. 
3. Como este projeto pode ser modificado para mostrar o resultado em centímetros? Explique. 
 
3. BIBLIOGRAFIA 
 ALTERA. DE2 Development and education board user manual. 2008. Version 1.42. 
 MENEZES, M.P.; SATO, L.M.; MIDORIKAWA, E.T. Projeto de Circuitos com Quartus II 9.1. 
Apostila de Laboratório Digital. Departamento de Engenharia de Computação e Sistemas Digitais, 
Escola Politécnica da USP. Edição de 2011. 
 MIDORIKAWA, E.T. Projeto de Sistemas Digitais. Apostila de Laboratório Digital, 2012. 
 TOCCI, R.L.; WIDMER, N.S.; MOSS, G.L. Digital Systems: Principles and Applications. 11th ed., 
Prentice-Hall, 2011. 
 VAHID, F. Sistemas Digitais: Projeto, Otimização e HDLs. Bookman, 2008. 
 WAKERLY, John F. Digital Design Principles & Practices. 4th edition, Prentice Hall, 2006. 
 
4. MATERIAL DISPONÍVEL 
 Circuitos Integrados para interface: 74LS365 e 74HC4050. 
 1 sensor ultrassônico HC-SR04. 
 1 protoboard ou painel de montagens experimentais ou outra plataforma de montagem. 
 
5. EQUIPAMENTOS NECESSÁRIOS 
 1 computador compatível com IBM-PC com software Altera Quartus II. 
 1 placa de desenvolvimento FPGA DE2 da Altera com o dispositivo Altera Cyclone II EP2C35F672C6. 
 1 dispositivo Analog Discovery da Digilent. 
 
Histórico de Revisões 
E.T.M./2014 – versão inicial 
E.T.M./2015 – revisão 
E.T.M./2016 – revisão e adaptação