HC-SR04 ultrahangos szenzor, 2–450 cm távolság, 5 V

A HC-SR04 ultrahangos érzékelő a legelterjedtebb alkatrész a távolságméréshez Arduino projektekben, megtalálható mobil robotokban, amelyeknek akadályokat kell kikerülniük, parkolássegítő rendszerekben, folyadékszint mérésnél egy tartályban, vagy bármilyen összeállításban, amelynek szüksége van egy közelítő távolságra az érzékelő előtt lévő tárgytól.

A modulnak két ultrahangos transzdúctora van a panel felső oldalán, egy kristályoszcillátora és egy 4 tűs header Vcc, Trig, Echo és Gnd kivezetésekkel, használatra kész rögtön a csatlakoztatás után, további kalibrálás nélkül.

Hogyan működik:

Az érzékelő az echolokáció elvét használja. A Trig lábra küldjünk egy legalább 10 us hosszú HIGH impulzust, a modul erre válaszul 8 ciklusnyi 40 kHz-es ultrahangcsomagot bocsát ki. Ezzel egyidőben az Echo láb HIGH állapotba vált, és addig marad így, amíg a tárgyról visszaverődött hang vissza nem érkezik az érzékelőhöz.

Az időtartamot, amíg az Echo HIGH állapotban van, mikroszekundumban a pulseIn függvénnyel olvassuk ki, és ezt alakítjuk át távolsággá úgy, hogy elosztjuk 58-cal centiméterhez, a képlet a hang 340 m/s sebességéből származik, elosztva 2-vel, mivel a hang oda-vissza megteszi a távolságot. Minél távolabb van a tárgy, annál hosszabb az impulzus az Echo lábon.

Mire van szükséged:

• 1 x HC-SR04 ultrahangos érzékelő
• 1 x Uno R3 fejlesztői panel ESP8266 WiFi-vel, Arduino kompatibilis
• 4 x 40 db Dupont vezeték 10cm, Mama-Mama
• 1 x Breadboard 830 pontos MB-102

Csatlakoztatás:

Az érzékelő mind a 4 lábán 5 V-on működik, és egy Arduino Uno panelon, amelynek logikája szintén 5 V-os, közvetlenül csatlakoztatható, szintillesztő vagy további ellenállások nélkül.

A kód:

Töltsd fel az Arduino Uno-ra az alábbi programot, amely létrehozza a trigger impulzust, kiolvassa az echo időtartamát, és kiírja a kiszámított távolságot a soros monitorra.

// 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);
}

Hogyan működik a kód:

A program elején definiáljuk a trigPin és echoPin konstansokat, amelyek tárolják a csatlakoztatáshoz használt D9 és D10 digitális lábak számát, valamint a duration változót az impulzus időtartamához és a distanceCm változót a centiméterben kifejezett eredményhez.

A setup függvényben inicializáljuk a soros kommunikációt 9600 baud sebességgel, a trigPin lábat kimenetként konfiguráljuk, az echoPin lábat pedig bemenetként, majd a trigPin lábat kifejezetten LOW állapotba állítjuk, hogy ismert állapotból induljunk.

A loop függvényben a program először LOW állapotba hozza a trigPin lábat 2 mikroszekundumra, majd HIGH-ra emeli 10 mikroszekundumra, és visszaállítja LOW-ra, pontosan betartva az érzékelő által megkövetelt minimális trigger időtartamot. A pulseIn függvényt meghívjuk az echoPin lábon, hogy mikroszekundumban mérjük, mennyi ideig marad HIGH állapotban, ezt az értéket a duration tárolja.

A distanceCm távolságot úgy számítjuk ki, hogy a duration értékét elosztjuk 58-cal, az adatlapon szereplő képlet szerint, az eredményt pedig kiírjuk a soros monitorra a mértékegységgel együtt. A loop végén egy 100 milliszekundumos szünet biztosít egy biztonságos időközt két egymást követő mérés között, ami nagyobb, mint az ajánlott 60 ms.

Eredmény:

Nyisd meg a soros monitort 9600 baud sebességgel, és látni fogod a mért távolságot, amely körülbelül másodpercenként 10-szer frissül, az értékek pedig csökkennek vagy nőnek attól függően, hogy közelíted vagy távolítod a tárgyat az érzékelőtől.

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

Gyakori problémák:

Ha a soros monitoron semmi nem jelenik meg, ellenőrizd, hogy a monitorban kiválasztott sebesség 9600 baud, és hogy a csatlakoztatott panelhez megfelelő COM portot választottad.

Ha a kiírt távolság mindig 0 vagy egy nagyon nagy szám, ellenőrizd a Trig és Echo vezetékeket, mivel könnyen felcserélhetők egymással, és a pulseIn a rossz lábon várja a jelet.

Ha az értékek instabilak vagy hirtelen ugranak, távolítsd el a céltárgyat a szélektől és a ferde felületektől, mivel ezek egy másik irányba verik vissza a hangot, nem az érzékelő felé.

Ha az érzékelő nem reagál, amikor semmi nincs előtte, a pulseIn függvénynek alapértelmezett egy másodperces időtúllépése van, és a kód ennyi ideig fog várni, mielőtt folytatná, ami lassítja a kijelzést, ez normális, ha nincs tárgy a mérési tartományban.

Ha a távolság folyamatosan kisebb a valóságosnál, ellenőrizd, hogy a céltárgy felülete legalább 0.5 négyzetméter, különben az ultrahangos hullám egy része megkerüli a tárgyat, és nem jut vissza az érzékelőhöz.

Korlátok és tanácsok:

Az érzékelő csak a két transzdúctor előtt mér helyesen, egy körülbelül 15 fokos kúpon belül, a puha vagy hangelnyelő anyagok, mint a textíliák vagy a szivacs, erősen csökkentik a visszavert hangot. A hasznos mérési tartomány 2 cm-től kezdődik, és jó körülmények között akár 450 cm-ig is elérhet, körülbelül 0.3 cm-es felbontással, ami elegendő a legtöbb robotikai és automatizálási projekthez, azonban nagyobb pontosságú mérésekhez vagy erős akusztikus zajjal rendelkező környezetben egy speciális ultrahangos vagy lézeres érzékelő javasolt.