VL53L0X ToF-sensor

Wat het is

De VL53L0X meet afstand net als een laserafstandsmeter—met licht in plaats van geluid. Hij stuurt een onzichtbare infrarode laserimpuls uit en meet met een smalle bundel de looptijd van het licht, wat via I²C een snelle, nauwkeurige meting oplevert. Waar een HC-SR04 met een brede meetkegel meet, is de VL53L0X de keuze voor een nauwkeurige afstandsmeting met een smalle bundel—de sensor die je kiest wanneer “ongeveer hoe ver” niet goed genoeg is.

Hoe het werkt

De behuizing bevat twee openingen: een laseremitter en een SPAD-ontvanger (een detector voor losse fotonen). De sensor stuurt een impuls van 940 nm infraroodlicht uit, de ontvanger meet hoe lang het licht nodig heeft voor de heen- en terugweg en—omdat licht een bekende snelheid heeft—wordt die tijd omgerekend naar afstand. Alle tijdmeting vindt op de chip plaats; je microcontroller leest alleen de waarde in millimeters via I²C. De afwegingen tegenover geluid zijn precies de afwegingen in ultrasone versus looptijdsensoren.

Wanneer je hem gebruikt

Kies een VL53L0X wanneer een robot precies en met een smalle bundel moet afstanden:

• Nabije, exacte afstanden — een specifieke opening beoordelen, op een vaste afstand een muur volgen of precies stoppen.
• Kleine of dunne obstakels — een tafelpoot of draad die door de brede meetkegel van de ultrasone sensor onscherp wordt gemaakt of helemaal wordt gemist.
• Snelle regellussen — tot 50 metingen per seconde voor snelle besturing.

Voor goedkope, robuuste detectie van “is er iets vooruit?” over een groter gebied is de HC-SR04 een goede keuze qua prijs en functionaliteit—en de filterideeën in de HC-SR04 uitlezen gelden voor elke afstandsmeetreeks, ook voor een laser.

Aansluiting en aandachtspunten

• I²C-adresconflicten. Elke VL53L0X deelt één standaardadres—gebruik de XSHUT-pin om ze één voor één uit de reset te halen en adressen opnieuw toe te wijzen als je er meerdere gebruikt.
• Let op het omgevingslicht. Fel zonlicht (veel infrarood) en donkere of spiegelende oppervlakken verkorten het bruikbare bereik.
• Houd het raampje schoon. Een vingerafdruk of stof op de opening verstrooit de bundel en verstoort de metingen.
• Respecteer de ondergrens (~5 cm); zoals elke afstandssensor heeft ook deze een dode zone die te dichtbij ligt om te meten.

Pinindeling

XSHUT is de pin waarmee meerdere sensoren mogelijk worden en het is belangrijk om dat te begrijpen voordat je de tweede koopt.

Meerdere VL53L0X-sensoren gebruiken

Elke VL53L0X start op hetzelfde adres, 0x29, en er zijn geen adreskeuzepinnen. Zet er twee op één bus, dan antwoorden beide tegelijk en wordt elke transactie verstoord. Het adres kan in software worden gewijzigd, maar de wijziging is vluchtig—hij verdwijnt na elke keer dat de voeding uit- en ingeschakeld wordt.

De standaardoplossing gebruikt XSHUT om ze één voor één uit de reset te halen:

#include <Wire.h>
#include <VL53L0X.h>

const int XSHUT[] = {4, 5, 6};          // one GPIO per sensor
const uint8_t ADDR[] = {0x30, 0x31, 0x32};
VL53L0X sensor[3];

void setup() {
  Wire.begin();

  // 1. Hold every sensor in reset.
  for (int i = 0; i < 3; i++) { pinMode(XSHUT[i], OUTPUT); digitalWrite(XSHUT[i], LOW); }
  delay(10);

  // 2. Release one at a time and give each a new address before the next wakes.
  for (int i = 0; i < 3; i++) {
    digitalWrite(XSHUT[i], HIGH);
    delay(10);
    sensor[i].init();
    sensor[i].setAddress(ADDR[i]);      // now it is off 0x29 and the next can boot
    sensor[i].setTimeout(500);
  }
}

Twee details verrassen mensen: de pinnen moeten voor de reset LOW worden gestuurd en daarna worden losgelaten, en de hele reeks moet opnieuw worden uitgevoerd omdat de adressen niet blijven staan. Sommige breakouts trekken XSHUT via een pull-upweerstand op HIGH, dus de pin simpelweg zwevend laten betekent dat de sensor ingeschakeld blijft.

Tijdbudget voor de meting: de afstelknop voor nauwkeurigheid, snelheid en bereik

De VL53L0X heeft één instelling die belangrijker is dan alle andere, en de meeste voorbeeldcode raakt hem nooit aan. Het tijdbudget voor de meting bepaalt hoe lang de sensor fotonen mag integreren voor één meting, en het is een afweging tussen drie dingen:

sensor.setMeasurementTimingBudget(20000);   // microseconds

Er zijn daarnaast modi voor groot bereik en hoge nauwkeurigheid die de drempelwaarde voor de signaalsnelheid en de pulsperioden aanpassen. De praktische regel is: bereikt de sensor niet ver genoeg, besteed dan meer tijd voordat je de sensor de schuld geeft. Een tijdbudget voor de meting van 200 ms verdubbelt het bruikbare bereik van een tijdbudget van 20 ms echt.

Minimaal werkende code

#include <Wire.h>
#include <VL53L0X.h>

VL53L0X sensor;

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  Wire.begin();

  if (!sensor.init()) {
    Serial.println("VL53L0X not found");   // check wiring and XSHUT
    while (1) {}
  }
  sensor.setTimeout(500);
  sensor.setMeasurementTimingBudget(33000);
  sensor.startContinuous();
}

void loop() {
  uint16_t mm = sensor.readRangeContinuousMillimeters();

  if (sensor.timeoutOccurred()) {
    Serial.println("timeout");
  } else if (mm >= 8190) {
    Serial.println("out of range");        // 8190/8191 mean "no valid target"
  } else {
    Serial.println(mm);
  }
  delay(20);
}

8190 en 8191 zijn geen afstanden. Het is de manier waarop de sensor zegt dat hij geen bruikbare reflectie kreeg — er is niets of het meetobject is te donker of te ver weg. Code die 8191 als 8,19 meter behandelt, reageert vreemd in een lege ruimte; code die het als nul behandelt, maakt daar een noodstop van.

Wat hij niet kan zien

De VL53L0X werkt juist slecht op de tegengestelde soorten oppervlakken van een ultrasone sensor, en dat is de volledige basis voor de keuze tussen beide.

De invloed van zonlicht verdient nadruk, omdat die het meest verrassend is. Een VL53L0X die binnen perfect werkt, kan in een zonnige wintertuin bijna nutteloos zijn, en de uitval is geleidelijk—het bereik wordt korter in plaats van dat de metingen duidelijk verkeerd worden.

Problemen oplossen

VL53L0X of iets anders?

De VL53L1X verdient specifieke vermelding: hij is in vrijwel alle opzichten een directe vervanger voor de huidige VL53L0X, en het programmeerbare meetgebied (ROI) laat je het meetveld softwarematig versmallen—in feite stuur je de bundel zonder de sensor te bewegen. Als je vandaag een nieuw model kiest in plaats van te blijven werken met wat je hebt, is hij meestal de betere keuze.