Sensore a ultrasuoni HC-SR04, distanza 2-450 cm, 5V

Il sensore a ultrasuoni HC-SR04 è il componente più utilizzato per misurare la distanza nei progetti con Arduino, essendo presente in robot mobili che devono evitare ostacoli, in sistemi di parcheggio assistito, nella misurazione del livello di liquido in un serbatoio o in qualsiasi montaggio che necessiti di una distanza approssimativa da un oggetto davanti al sensore.

Il modulo ha due trasduttori a ultrasuoni visibili sulla faccia della scheda, un cristallo oscillatore e un header a 4 pin Vcc, Trig, Echo e Gnd, essendo pronto all'uso subito dopo il collegamento, senza calibrazione aggiuntiva.

Come funziona:

Il sensore utilizza il principio dell'ecolocalizzazione. Inviate sul pin Trig un impulso HIGH di almeno 10 us, e il modulo risponde inviando un pacchetto di 8 cicli di ultrasuoni a 40 kHz. Allo stesso tempo, il pin Echo passa in HIGH e rimane così finché il suono riflesso dall'oggetto non viene ricevuto di nuovo dal sensore.

La durata in microsecondi per cui Echo resta in HIGH si legge con la funzione pulseIn e si trasforma in distanza dividendo per 58 per ottenere i centimetri, la formula derivando dalla velocità del suono di 340 m/s divisa per 2, poiché il suono percorre la distanza di andata e ritorno. Quanto più l'oggetto è lontano, tanto più lungo è l'impulso su Echo.

Cosa ti serve:

• 1 x Sensore a ultrasuoni HC-SR04
• 1 x Scheda di sviluppo Uno R3 con Wifi ESP8266, compatibile Arduino
• 4 x 40 fili Dupont 10cm, Femmina-Femmina
• 1 x Breadboard 830 punti MB-102

Collegamento:

Il sensore lavora a 5 V su tutti e 4 i pin, e su una scheda Arduino Uno, che ha anch'essa logica a 5 V, si collega direttamente, senza convertitore di livello o resistenze aggiuntive.

Il codice:

Caricate su Arduino Uno il programma qui sotto, che genera l'impulso di trigger, legge la durata dell'eco e visualizza la distanza calcolata sul monitor seriale.

// 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);
}

Come funziona il codice:

All'inizio del programma vengono definite le costanti trigPin e echoPin, che memorizzano i numeri dei pin digitali D9 e D10 utilizzati per il collegamento, insieme alla variabile duration per la durata dell'impulso e distanceCm per il risultato in centimetri.

Nella funzione setup si inizializza la comunicazione seriale a 9600 baud, il pin trigPin viene configurato come uscita, e il pin echoPin come ingresso, dopodiché trigPin viene portato esplicitamente su LOW per partire da uno stato noto.

Nella funzione loop, il programma porta prima trigPin su LOW per 2 microsecondi, poi lo alza su HIGH per 10 microsecondi e lo riporta su LOW, rispettando esattamente la durata minima di trigger richiesta dal sensore. La funzione pulseIn viene chiamata sul pin echoPin per misurare, in microsecondi, per quanto tempo il pin resta in HIGH, questo valore venendo memorizzato in duration.

La distanza distanceCm si calcola dividendo duration per 58, secondo la formula del datasheet, e il risultato viene mostrato sul monitor seriale insieme all'unità di misura. Una pausa di 100 millisecondi alla fine del loop assicura un intervallo sicuro tra due misurazioni successive, maggiore dei 60 ms raccomandati.

Risultato:

Aprite il monitor seriale a 9600 baud e vedrete la distanza misurata, aggiornata circa 10 volte al secondo, con valori che diminuiscono o aumentano man mano che avvicinate o allontanate un oggetto dal sensore.

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

Problemi frequenti:

Se sul monitor seriale non appare nulla, verificate che la velocità selezionata nel monitor sia 9600 baud e che abbiate scelto la porta COM corretta per la scheda collegata.

Se la distanza mostrata è sempre 0 o un numero molto grande, controllate i fili su Trig e Echo, poiché sono facili da scambiare tra loro, e pulseIn attende il segnale sul pin sbagliato.

Se i valori sono instabili o saltano bruscamente, allontanate l'oggetto bersaglio da bordi e superfici inclinate, poiché queste riflettono il suono in una direzione diversa dal sensore.

Se il sensore non reagisce quando non c'è nulla davanti a esso, la funzione pulseIn ha un timeout predefinito di un secondo, e il codice attenderà questo intervallo prima di continuare, il che rallenta la visualizzazione, essendo normale in assenza di un oggetto nel raggio di misurazione.

Se la distanza è costantemente più piccola di quella reale, verificate che la superficie bersaglio abbia almeno 0.5 metri quadrati, altrimenti parte dell'onda ultrasonica aggira l'oggetto e non torna più al ricevitore.

Limiti e consigli:

Il sensore misura correttamente solo davanti ai due trasduttori, su un cono di circa 15 gradi, e i materiali morbidi o assorbenti come i tessuti o la spugna riducono fortemente l'eco. La distanza utile parte da 2 cm e può arrivare fino a circa 450 cm in buone condizioni, con una risoluzione dell'ordine di 0.3 cm, sufficiente per la maggior parte dei progetti di robotica e automazione, tuttavia per misurazioni di maggiore precisione o in ambienti con forte rumore acustico è consigliabile un sensore ultrasonico o laser specializzato.