VL53L0X Time-of-Flight-Sensor: Wie er funktioniert und wo man ihn verwendet

Der VL53L0X LIDAR-Abstandssensor von STMicroelectronics ist ein kompakter und zuverlässiger Time-of-Flight (ToF)-Sensor, der für die genaue, berührungslose Abstandsmessung in modernen elektronischen Systemen entwickelt wurde.In diesem Artikel werden die Grundlagen des VL53L0X-Sensors, Pinbelegungsdetails, Spezifikationen, Funktionen, interne Architektur, Anwendungsschaltung, praktische Anwendungen, Vorteile, Einschränkungen und Herstellerfunktionen erläutert.

Katalog

VL53L0X Sensor Basic

Die STMicroelectronics VL53L0X ist ein kompakter Time-of-Flight (ToF) LIDAR-Abstandssensor, der für eine genaue, berührungslose Abstandsmessung entwickelt wurde.Es sendet kurze Infrarot-Laserimpulse aus und misst die Zeit, die das Licht benötigt, um von einem Objekt zurück zu reflektieren. Dies ermöglicht eine präzise Entfernungsberechnung unabhängig von der Farbe oder Oberfläche des Objekts.

Dieser Sensor bietet einen typischen Messbereich von bis zu 2 Metern und kommuniziert über eine einfache I²C-Schnittstelle, wodurch er leicht in Mikrocontroller wie Arduino, ESP32 und Raspberry Pi integriert werden kann.Der VL53L0X verwendet einen augensicheren 940-nm-Laser der Klasse 1 und gewährleistet so einen sicheren Betrieb in Verbraucher- und Industriegeräten.

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Details zur Pinbelegung des VL53L0X-Sensors

Pin Nein.	Pin Name	Beschreibung
1	AVDDVCSEL	Netzteil für der VCSEL (Laser-Emitter)
2	AVSSVCSEL	Boden für die VCSEL-Versorgung
3	GND	Boden
4	GND2	Boden
5	XSHUT	Aktiv-niedrig Shutdown-Pin zum Zurücksetzen oder Deaktivieren des Sensors
6	NC	Nicht verbunden
7	GPIO1	Ausgabe unterbrechen für datenbereite Ereignisse oder Schwellenwertereignisse
8	DNC	Nicht verbinden
9	SDA	I²C-Datenleitung
10	SCL	I²C-Taktleitung
11	AVDD	Hauptanalog Stromversorgung
12	GND4	Boden

Alternativen und gleichwertiges Modell

• VL53L1X

• VL53L1CB

• VL53L3CX

• VL6180X

• VL53L0CX

Technische Daten des VL53L0X-Sensors

Parameter	Spezifikation
Messung Technologie	Flugzeit (ToF)
Entfernung Messbereich	30 mm bis 2.000 mm
Lichtquelle	940 nm Infrarot VCSEL-Laser
Lasersicherheit Klasse	Klasse 1 (Augensicher)
Entfernung Auflösung	1 mm
Schnittstelle	I²C
Betrieb Spannung	2,6 V bis 3,5 V
Typisches Angebot Spannung	2,8 V
Betrieb Aktuell	~19 mA (Bereich Modus)
Standby-Strom	< 5 µA
Sichtfeld (Sichtfeld)	~25°
Messung Geschwindigkeit	Bis zu ~50 Hz
Betrieb Temperatur	−20 °C bis +70 °C
Pakettyp	Optisches LGA
Paket Abmessungen	Ca.4,4 × 2,4 × 1,0 mm
Hersteller	STMicroelectronics

Funktionen des VL53L0X-Sensors

Time-of-Flight (ToF)-Entfernungsmessung

Der VL53L0X misst die Entfernung, indem er berechnet, wie lange ein ausgesendeter Infrarot-Laserimpuls braucht, um zu einem Objekt zu gelangen und zurückzukehren.Diese Methode liefert genaue und konsistente Messwerte, die weitgehend unabhängig von der Farbe, der Textur oder den Umgebungslichtbedingungen des Zielobjekts sind.

Bis zu 2 Meter Messbereich

Der Sensor unterstützt die Entfernungserkennung aus sehr geringer Entfernung bis zu ca. 2 Metern.Durch diesen Bereich eignet es sich sowohl für die Näherungsmessung im Nahbereich als auch für die Entfernungsmessung im mittleren Bereich in kompakten Systemen.

Augensicherer Infrarotlaser (Klasse 1)

Es verwendet einen 940-nm-Infrarot-VCSEL-Laser, der für das menschliche Auge unsichtbar und der Klasse 1 zugeordnet ist und einen sicheren Betrieb in Verbraucher-, Industrie- und Innenumgebungen gewährleistet.

I²C-Digitalschnittstelle

Der VL53L0X kommuniziert über eine Standard-I²C-Schnittstelle und ermöglicht so eine einfache Integration mit gängigen Mikrocontrollern wie Arduino, ESP32 und Raspberry Pi unter Verwendung weit verbreiteter Bibliotheken.

Hohe Entfernungsauflösung

Mit einer Auflösung im Millimeterbereich liefert der Sensor präzise Entfernungsdaten und eignet sich daher für Anwendungen, die eine hohe Positionsgenauigkeit und zuverlässige Objekterkennung erfordern.

Geringer Stromverbrauch

Der für einen energieeffizienten Betrieb konzipierte VL53L0X unterstützt einen niedrigen Standby-Strom und optimierte Entfernungsmodi und ist somit ideal für batteriebetriebene und tragbare Geräte.

Kompaktes optisches Paket

Sein kleines LGA-Gehäuse ermöglicht Designern die Integration des Sensors in platzbeschränkte Produkte wie Wearables, intelligente Geräte und kompakte Robotiksysteme.

Unterbrechungs- und Abschaltsteuerung

Die GPIO- und XSHUT-Pins ermöglichen externe Interrupt-Signalisierung und Hardware-Abschaltsteuerung und ermöglichen so eine bessere Energieverwaltung und einen synchronisierten Betrieb innerhalb eingebetteter Systeme.

Blockdiagramm des VL53L0X-Sensors

Das Blockdiagramm des VL53L0X-Sensors zeigt, wie die Entfernungsmessung intern mithilfe der Time-of-Flight-Technologie abgewickelt wird.Das Herzstück des Sensors ist der VCSEL-Treiber (Vertical Cavity Surface Emitting Laser), der die Emission eines 940-nm-Infrarotlaserimpulses in Richtung des Ziels steuert.Dieser Laser wird separat über die AVDDVCSEL-Versorgung mit Strom versorgt, um eine stabile und genaue Lichtausgabe zu gewährleisten.

Wenn das emittierte Licht von einem Objekt reflektiert wird, wird es vom SPAD-Detektionsarray (Single Photon Avalanche Diode) erfasst.Dieses hochempfindliche Detektionsarray kann einzelne Photonen erfassen, sodass der Sensor die Rückkehrzeit des Laserimpulses präzise messen kann.Diese Zeitinformationen sind der Schlüsselfaktor zur Berechnung der Entfernung.

Der fortschrittliche Ranging-Kern und der interne Mikrocontroller verarbeiten die Timing-Daten vom SPAD-Array.Diese Blöcke übernehmen die Signalverarbeitung, Entfernungsberechnung und Messsteuerung.Unterstützt wird dieser Vorgang durch internes ROM, RAM und nichtflüchtigen Speicher, in dem Kalibrierungsdaten, Firmware und Laufzeitparameter gespeichert sind.Schließlich werden die verarbeiteten Distanzdaten extern über die I²C-Schnittstelle (SDA und SCL) geliefert, während Pins wie GPIO1 und XSHUT für Interrupt-Signalisierung und Hardware-Steuerung sorgen, wodurch der Sensor in eingebetteten Systemen einfach zu verwalten ist.

VL53L0X-Anwendungsschaltung

Die VL53L0X-Anwendungsschaltung veranschaulicht, wie der Sensor an einen Host-Mikrocontroller angeschlossen und korrekt mit Strom versorgt wird, um einen stabilen Time-of-Flight-Betrieb zu gewährleisten.Der Host kommuniziert mit dem VL53L0X über die I²C-Schnittstelle (SDA und SCL), wobei Pull-up-Widerstände an die I/O-Spannung (IOVDD) angeschlossen sind.Diese Pull-Ups sorgen für eine zuverlässige digitale Kommunikation zwischen Sensor und Controller.

Die Leistung ist in zwei Hauptbereiche unterteilt: AVDD für den analogen Kern und AVDDVCSEL für den Laseremitter (VCSEL).Entkopplungskondensatoren, typischerweise 100 nF und 4,7 µF, werden in der Nähe des AVDD-Pins platziert, um Rauschen zu filtern und die Versorgung zu stabilisieren.Separate Erdungsstifte (GND, GND2, GND3, GND4 und AVSSVCSEL) reduzieren elektrische Störungen und verbessern die Entfernungsgenauigkeit.

Steuerpins wie XSHUT ermöglichen das Hardware-Abschalten oder Zurücksetzen des Sensors, während GPIO1 als Interrupt-Ausgang verwendet werden kann, um die Messbereitschaft zu signalisieren.Der DNC-Pin (Do Not Connect) bleibt wie gezeigt ungenutzt, um unbeabsichtigtes Verhalten zu vermeiden.

VL53L0X mit Arduino Uno-Schaltplan

Das Bild zeigt einen grundlegenden Verkabelungsaufbau zwischen einem Arduino Uno und dem VL53L0X LIDAR-Abstandssensor und zeigt, wie der Sensor mit Strom versorgt wird und wie Daten über die I²C-Schnittstelle ausgetauscht werden.Das VL53L0X-Modul ist zur Stromversorgung mit den 5-V- (oder 3,3-V-, je nach Modul) und GND-Pins des Arduino verbunden und gewährleistet so einen stabilen Betrieb sowohl des Sensorkerns als auch der Onboard-Elektronik.

Die Kommunikation zwischen dem Arduino und dem Sensor erfolgt über die SDA- und SCL-Leitungen, die mit den dedizierten I²C-Pins des Arduino verbunden sind.Diese Leitungen ermöglichen es dem Arduino, mithilfe einfacher Softwarebibliotheken Entfernungsdaten vom VL53L0X in Echtzeit auszulesen.Das Diagramm zeigt auch optionale Steuerpins wie XSHUT oder GPIO, die zum Zurücksetzen des Sensors oder zur Interrupt-Signalisierung verwendet werden können, obwohl sie für den Grundbetrieb nicht immer erforderlich sind.

Dieser Schaltplan zeigt eine saubere und kompakte Integration, die für Prototyping und Lernen geeignet ist.Es zeigt, wie der VL53L0X einfach und mit minimalen Komponenten an einen Mikrocontroller angeschlossen werden kann, was ihn ideal für Projekte mit Entfernungsmessung, Hinderniserkennung und Näherungserkennung macht.

VL53L0X-Sensoranwendungen

• Robotik-Hinderniserkennung

• Näherungserkennung in IoT-Geräten

• Gestenerkennungssysteme

• Drohnenhöhe und Landeunterstützung

• Smart-Home-Automatisierungssensoren

• Anwesenheitserkennung von Industrieobjekten

• Kamera-Autofokus-Unterstützung

• Näherungserkennung für tragbare Geräte

• Flüssigkeitsstanderkennung (berührungslos)

• Berührungslose Benutzeroberflächen

VL53L0X Mechanische Abmessungen

Vorteile und Einschränkungen

Vorteile

Präzise Flugzeit-Entfernungsmessung

Wird nicht durch die Farbe des Objekts oder die Oberflächenstruktur beeinflusst

Augensicherer Infrarotlaser der Klasse 1

Kompakte Größe, geeignet für Designs mit begrenztem Platzangebot

Geringer Stromverbrauch für batteriebetriebene Geräte

Einfache I²C-Schnittstelle für einfache Integration

Stabile Leistung bei wechselndem Umgebungslicht

Einschränkungen

Maximaler Messbereich auf ca. 2 Meter begrenzt

Engeres Sichtfeld im Vergleich zu kamerabasierten Sensoren

Bei direkter Sonneneinstrahlung kann sich die Leistung verschlechtern

Erfordert sorgfältige Stromentkopplung und Erdung

Feste Einzelpunktmessung (keine Scanfunktion)

Hersteller

STMicroelectronics verfügt über starke Fertigungskapazitäten hinter dem VL53L0X-Sensor und kombiniert fortschrittliche CMOS-Bildgebungsprozesse mit präziser optischer Integration.Das Unternehmen entwirft und fertigt den Sensor mithilfe hochkontrollierter Halbleiterfertigungslinien, die das SPAD-Array (Single Photon Avalanche Diode), den VCSEL-Lasertreiber, das analoge Front-End und den digitalen Verarbeitungskern in einem kompakten optischen Paket integrieren.STMicroelectronics führt außerdem Werkskalibrierung, optische Ausrichtung und Zuverlässigkeitstests durch, um eine gleichbleibende Entfernungsgenauigkeit, einen augensicheren Laserbetrieb und eine langfristige Stabilität sicherzustellen.

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Wie genau ist der Abstandssensor VL53L0X?

Der VL53L0X bietet unter normalen Bedingungen eine Genauigkeit im Millimeterbereich und eignet sich daher für präzise Distanz- und Näherungsmessungen im Nahbereich.

2. Kann der VL53L0X im Freien verwendet werden?

Ja, aber starkes Sonnenlicht kann die Leistung beeinträchtigen, da Umgebungsinfrarotlicht das reflektierte Lasersignal stören kann.

3. Muss der VL53L0X vor der Verwendung kalibriert werden?

Die Werkskalibrierung ist bereits durchgeführt, sodass für die meisten Anwendungen keine Benutzerkalibrierung erforderlich ist, was die Integration vereinfacht.

4. Was passiert, wenn mehrere VL53L0X-Sensoren zusammen verwendet werden?

Jeder Sensor hat die gleiche Standard-I²C-Adresse, daher müssen XSHUT-Pins verwendet werden, um beim Start eindeutige Adressen zuzuweisen.

5. Ist die Verwendung des VL53L0X in der Nähe von Menschen sicher?

Ja, es verwendet einen augensicheren Infrarotlaser der Klasse 1 und ist somit sicher für Verbraucher- und Innenanwendungen.

6. Kann der VL53L0X transparente oder glänzende Objekte messen?

Transparente und stark reflektierende Oberflächen können aufgrund schlechter oder übermäßiger Lichtreflexion zu instabilen Messwerten führen.

7. Wie schnell kann der VL53L0X Entfernungsmessungen aktualisieren?

Abhängig von der Konfiguration können Entfernungsmessungen mit einer Frequenz von bis zu ca. 50 Hz durchgeführt werden.

8. Unterstützt der VL53L0X Energiesparmodi?

Ja, es unterstützt den Standby- und Shutdown-Modus und ermöglicht so erhebliche Energieeinsparungen bei batteriebetriebenen Designs.

9. Welche Mikrocontroller werden üblicherweise mit dem VL53L0X verwendet?

Aufgrund seiner einfachen I²C-Schnittstelle und Bibliotheksunterstützung wird es häufig mit Arduino, ESP32, STM32 und Raspberry Pi verwendet.

10. Ist der VL53L0X für die Distanzmessung über große Entfernungen geeignet?

Nein, es ist für die Erfassung kurzer bis mittlerer Entfernungen bis zu etwa 2 Metern optimiert.Größere Entfernungen erfordern höherwertige ToF-Sensoren.