Ultraschallsensor HC-SR04, Entfernung 2–450 cm, 5 V

Der Ultraschallsensor HC-SR04 ist die am häufigsten verwendete Komponente zur Entfernungsmessung in Arduino-Projekten. Man findet ihn in mobilen Robotern, die Hindernissen ausweichen müssen, in Einparkhilfe-Systemen, bei der Messung des Flüssigkeitsstands in einem Tank oder in jedem Aufbau, der eine ungefähre Entfernung zu einem Objekt vor dem Sensor benötigt.

Das Modul hat zwei Ultraschallwandler, die auf der Vorderseite der Platine sichtbar sind, einen Oszillatorkristall und eine 4-Pin-Stiftleiste mit Vcc, Trig, Echo und Gnd. Es ist sofort nach dem Anschließen einsatzbereit, ohne zusätzliche Kalibrierung.

Funktionsweise:

Der Sensor nutzt das Prinzip der Echoortung. Sie senden am Trig-Pin einen HIGH-Impuls von mindestens 10 us, und das Modul antwortet, indem es ein Paket von 8 Ultraschallzyklen bei 40 kHz aussendet. Gleichzeitig wechselt der Echo-Pin auf HIGH und bleibt so lange, bis der vom Objekt reflektierte Schall wieder vom Sensor empfangen wird.

Die Dauer in Mikrosekunden, die Echo auf HIGH bleibt, wird mit der Funktion pulseIn ausgelesen und durch Division durch 58 in Zentimeter umgerechnet. Die Formel ergibt sich aus der Schallgeschwindigkeit von 340 m/s geteilt durch 2, da der Schall die Strecke hin und zurück zurücklegt. Je weiter das Objekt entfernt ist, desto länger ist der Impuls auf Echo.

Was Sie benötigen:

• 1 x Ultraschallsensor HC-SR04
• 1 x Entwicklungsboard Uno R3 mit Wifi ESP8266, kompatibel mit Arduino
• 4 x 40 Dupont-Kabel 10cm, Buchse-Buchse
• 1 x Breadboard 830 Punkte MB-102

Anschluss:

Der Sensor arbeitet mit 5 V an allen 4 Pins, und an einem Arduino Uno Board, das ebenfalls mit 5 V Logik arbeitet, wird er direkt angeschlossen, ohne Pegelwandler oder zusätzliche Widerstände.

Der Code:

Laden Sie auf das Arduino Uno das untenstehende Programm hoch, das den Trigger-Impuls erzeugt, die Dauer des Echos ausliest und die berechnete Entfernung auf dem seriellen Monitor anzeigt.

// HC-SR04 Ultrasonic Distance Sensor with Arduino Uno
// Wiring:
// HC-SR04 Vcc -> Arduino 5V
// HC-SR04 Trig -> Arduino D9
// HC-SR04 Echo -> Arduino D10
// HC-SR04 Gnd -> Arduino GND
// No library required
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
long duration;
float distanceCm;
void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
}
void loop() {
  // Send a clean LOW pulse before triggering
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  // Send the 10 microsecond trigger pulse required by the sensor
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  // Measure the duration of the HIGH pulse on the echo pin, in microseconds
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  // Convert the duration to distance in centimeters
  distanceCm = duration / 58.0;
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distanceCm);
  Serial.println(" cm");
  // Wait before the next measurement, more than the recommended 60 ms
  delay(100);
}

Wie der Code funktioniert:

Am Anfang des Programms werden die Konstanten trigPin und echoPin definiert, die die Nummern der digitalen Pins D9 und D10 für den Anschluss speichern, zusammen mit der Variable duration für die Impulsdauer und distanceCm für das Ergebnis in Zentimetern.

In der Funktion setup wird die serielle Kommunikation mit 9600 Baud initialisiert, der Pin trigPin wird als Ausgang konfiguriert und der Pin echoPin als Eingang, dann wird trigPin explizit auf LOW gesetzt, um von einem bekannten Zustand auszugehen.

In der Funktion loop setzt das Programm zuerst trigPin für 2 Mikrosekunden auf LOW, dann hebt es ihn für 10 Mikrosekunden auf HIGH und bringt ihn zurück auf LOW, wobei genau die vom Sensor geforderte Mindestdauer des Triggers eingehalten wird. Die Funktion pulseIn wird für echoPin aufgerufen, um in Mikrosekunden zu messen, wie lange der Pin auf HIGH bleibt, wobei dieser Wert in duration gespeichert wird.

Die Entfernung distanceCm wird berechnet, indem duration durch 58 geteilt wird, gemäß der Formel aus dem Datenblatt, und das Ergebnis wird zusammen mit der Maßeinheit auf dem seriellen Monitor angezeigt. Eine Pause von 100 Millisekunden am Ende von loop sorgt für ein sicheres Intervall zwischen zwei aufeinanderfolgenden Messungen, das größer ist als die empfohlenen 60 ms.

Ergebnis:

Öffnen Sie den seriellen Monitor bei 9600 Baud und Sie werden die gemessene Entfernung sehen, die etwa 10 Mal pro Sekunde aktualisiert wird, mit Werten, die sinken oder steigen, je nachdem, ob Sie ein Objekt dem Sensor näher bringen oder entfernen.

Distance: 23.45 cm
Distance: 23.38 cm
Distance: 45.12 cm
Distance: 120.67 cm
Distance: 118.90 cm
Distance: 450.00 cm
Distance: 8.62 cm
Distance: 8.55 cm

Häufige Probleme:

Wenn auf dem seriellen Monitor nichts erscheint, überprüfen Sie, ob die im Monitor ausgewählte Geschwindigkeit 9600 Baud ist und ob Sie den richtigen COM-Port für das angeschlossene Board gewählt haben.

Wenn die angezeigte Entfernung immer 0 oder eine sehr große Zahl ist, überprüfen Sie die Kabel an Trig und Echo, da diese leicht miteinander vertauscht werden können, und pulseIn wartet dann auf das Signal am falschen Pin.

Wenn die Werte instabil sind oder plötzlich springen, entfernen Sie das Zielobjekt von Kanten und geneigten Oberflächen, da diese den Schall in eine andere Richtung als zum Sensor reflektieren.

Wenn der Sensor nicht reagiert, wenn sich nichts vor ihm befindet, hat die Funktion pulseIn ein Standard-Timeout von einer Sekunde, und der Code wartet dieses Intervall ab, bevor er fortfährt, was die Anzeige verlangsamt, was normal ist, wenn sich kein Objekt im Messbereich befindet.

Wenn die Entfernung ständig kleiner als die tatsächliche ist, überprüfen Sie, ob die Zieloberfläche mindestens 0.5 Quadratmeter groß ist, da sonst ein Teil der Ultraschallwelle am Objekt vorbeigeht und nicht mehr zum Empfänger zurückkehrt.

Einschränkungen und Tipps:

Der Sensor misst nur korrekt vor den beiden Wandlern, in einem Kegel von etwa 15 Grad, und weiche oder absorbierende Materialien wie Textilien oder Schaumstoff reduzieren das Echo stark. Die nutzbare Entfernung beginnt bei 2 cm und kann unter guten Bedingungen bis etwa 450 cm reichen, mit einer Auflösung in der Größenordnung von 0.3 cm, was für die meisten Robotik- und Automatisierungsprojekte ausreicht. Für Messungen mit höherer Präzision oder in Umgebungen mit starkem akustischem Rauschen wird jedoch ein spezialisierter Ultraschall- oder Lasersensor empfohlen.