Подключаем ультразвуковой дальномер HC-SR04 к Arduino

18.12.17 11:47

( 2 Голосов )

Для измерения расстояния до объектов, можно воспользоваться ультразвуковым дальномером HC-SR04, который работает по принципу локатора, как у летучих мышей. С помощью подобного датчика можно конструировать различных роботов, которые будут объезжать препятствия, собирать схемы автоматического включения освещения либо другой нагрузки, собирать ультразвуковую охранную систему. Дальномер HC-SR04 представляем из себя готовый модуль, который можно подключать к различным микроконтроллерам, свои примеры буду проводить совместно с китайским аналогом Arduino UNO.

hc-sr04

На лицевой стороне датчика находятся два сенсора, передающий (T) и принимающий (R). Передающий сенсор генерирует звуковые импульсы с частотой 40 кГц. Достигнув препятствия, импульс отражается и улавливает принимающим сенсором. С достаточно высокой точностью можно определить расстоянию до объекта, которое может составлять от 2 см до 4 м. На работу датчиков не влияет солнечный свет и цвет объекта.

hc-sr04

На обратной стороне датчика находится электроника. Микросхема MAX3232 - управляет передающим сенсором. Операционный усилитель LM324 усиливает сигнал, полученный с принимающего сенсора.

Для подключения к микроконтроллеру, используется 4 пина:

Vcc – подключается к пину 5V Arduino.
Trig – цифровой вход, на него подаётся логическая единица, длительностью 10 мкс. Затем датчик передаёт 8 циклов ультразвукового сигнала на частоте 40 кГц. Когда будет получен отраженный сигнал, будет рассчитано расстояние до объекта.
Echo – цифровой выход. На него будет подана логическая единица, после завершения расчётов. Время подачи логической единицы, пропорционально измеренному расстоянию.
Trig и Echo подключаются к цифровым выводам Arduino, к каким именно, задаётся в скетче.
Gnd – соединяется с соответствующим пином платы Arduino.

hc-sr04-arduino

Схема подключения HC-SR04 к Arduino, на примере китайского аналога Uno.

hc-sr04-arduino

Запишем в Ардуино скетч №1, который будет изменять расстояние до объекта. В примерах, пин «Trig» подключен ко 2 пину Uno, а пин «Echo» на 3 пин.

int TrigPin = 2;//пин Trig подключаем ко 2-му пину Arduino.
int EchoPin = 3;//пин Echo подключаем ко 3-му пину Arduino.

void setup() {
Serial.begin (9600);//Задаём скорость com-порта.
pinMode(TrigPin, OUTPUT);//Устанавливаем пин Trig как выход.
pinMode(EchoPin, INPUT);//Устанавливаем пин Echo как вход.
}
void loop() {
int distance, duration;
digitalWrite(TrigPin, HIGH);//На пин Trig подаётся логическая единица.
delayMicroseconds(10);//Удерживается это состояние 10 микросекунд.
digitalWrite(TrigPin, LOW);//убирается это состояние.
duration = pulseIn(EchoPin, HIGH);//Значение с пина Echo, считывается и записывается в значение duration.
duration = duration/29/2;//Подсчёт дистанции. Скорость звука 340 м/с или 29 микросекунд на сантиметр.
Serial.print(duration);//Выводим значение дистанции на дисплей.
Serial.println(" cm");
delay(1000);//Ждём 1000 милисекунд.
}

Строка «duration = duration/29/2;» вычисляет расстояние в «см», если нужно производить расчёты в дюймах, строка должна выглядеть так: «duration = duration/74/2;».

hc-sr04-arduino

Результат выполнения скетча будет отображаться в окне монитора последовательного порта.

Скетч №2 включает встроенный на плате Uno светодиод, если расстояние до объекта менее 50 см. Светодиод висит на 13 пине.

int TrigPin = 2;
int EchoPin = 3;
int LedPin = 13;

void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(TrigPin, OUTPUT);
pinMode(EchoPin, INPUT);
pinMode(LedPin, OUTPUT);
}
void loop() {
int distance, duration;
digitalWrite(TrigPin, HIGH);//На пин Trig подаётся логическая единица.
delayMicroseconds(10);//Удерживается это состояние 10 микросекунд
digitalWrite(TrigPin, LOW);//убирается это состояние
duration = pulseIn(EchoPin, HIGH);//Значение с пина Echo, считывается и записывается в значение duration
duration = duration/29/2;//Подсчёт дистанции. Скорость звука 340 м/с или 29 микросекунд на сантиметр
Serial.print(duration);
Serial.println(" cm");
if (duration<50) // Если расстояние менее 50 сантиметром
{
digitalWrite(LedPin, HIGH); // Светодиод горит
}
else
{
digitalWrite(LedPin, LOW); // иначе не горит
}
delay(1000);
}

Если вместо светодиода, подключить лампу накаливания, как это описано в статье «Подключаем мощную нагрузку к Arduino, через реле модуль», у нас получится простая система автоматического освещения. Разместив подобную конструкцию в каком то помещении, при попадании посетителя в зону действия дальномера, в помещении автоматически включится свет. Ток покоя дальномера составляет менее 2 мА.

В скетче №3 заменим светодиод на пьезоэлемент (пищалка, зуммер), которая будет издавать звук, если расстояние до объекта менее 50 см. Таким образом у нас получается простой звуковой радар или звуковая сигнализация.

speaker

Подобные «пищалки» применяются в компьютерах для оповещения BIOS, а так же в детских игрушках со звуком.

hc-sr04-arduino

Схема подключения простая, чёрный провод зуммера подключаем к пину GND ардуино, красный к любому свободному цифровому пину, с функцией ШИМ (3,5,6,9,10,11,13). В примере это пин 5. Подключать пьезоизлучатель будем с помощью функции analogWrite(). С этой функцией нельзя изменять тональность звука, звук будет постоянно на частоте около 980 Гц.

int TrigPin = 2;
int EchoPin = 3;
int BeepPin = 5;

void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(TrigPin, OUTPUT);
pinMode(EchoPin, INPUT);
pinMode(BeepPin, OUTPUT);
}
void loop() {
int distance, duration;
digitalWrite(TrigPin, HIGH);//На пин Trig подаётся логическая единица.
delayMicroseconds(10);//Удерживается это состояние 10 микросекунд
digitalWrite(TrigPin, LOW);//убирается это состояние
duration = pulseIn(EchoPin, HIGH);//Значение с пина Echo, считывается и записывается в значение duration
duration = duration/29/2;//Подсчёт дистанции. Скорость звука 340 м/с или 29 микросекунд на сантиметр
Serial.print(duration);
Serial.println(" cm");
if (duration<50) // Если расстояние менее 50 сантиметром
{
analogWrite(BeepPin, 50); // включаем пьезоизлучатель
}
else
{
analogWrite(BeepPin, 0); // выключаем пьезоизлучатель
}
delay(1000);
}

Если расстояние до объекта будет менее 50 см, зуммер издаст звук.

В скетче №4 мы так же будем использовать зуммер, но только с функцией tone(), которая будет позволять менять тональность звука, при разных ситуациях.

int TrigPin = 2;
int EchoPin = 3;
int BeepPin = 5;

void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(TrigPin, OUTPUT);
pinMode(EchoPin, INPUT);
pinMode(BeepPin, OUTPUT);
}
void loop() {
int distance, duration;
digitalWrite(TrigPin, HIGH);//На пин Trig подаётся логическая единица.
delayMicroseconds(10);//Удерживается это состояние 10 микросекунд
digitalWrite(TrigPin, LOW);//убирается это состояние
duration = pulseIn(EchoPin, HIGH);//Значение с пина Echo, считывается и записывается в значение duration
duration = duration/29/2;//Подсчёт дистанции. Скорость звука 340 м/с или 29 микросекунд на сантиметр
Serial.print(duration);
Serial.println(" cm");
if (duration<50) // Если расстояние менее 50 сантиметром
{
tone(BeepPin, 500); // включаем пьезоизлучатель c частотой 500 Гц
}
else
{
noTone(BeepPin); // выключаем пьезоизлучатель
}
delay(1000);
}

В строке " tone(BeepPin, 500);" параметром "500" задаётся частота звука - 500 Гц. Этот параметр можно выставлять от 31 Гц и до пределов, которыми ограничены параметры пьезоизлучателя и человеческого слуха. Данный скетч будет повторять эксперимент скетча №3, только с использованием функции tone(), которая будет устанавливать частоту звука.

В скетче №5 попробуем изменять тональность звука. При расстоянии более 50 см, будет издаваться звук, частотою 1000Гц. Если расстояние до объекта будет менее 50 см, звук изменит частоту на 500Гц.

int TrigPin = 2;
int EchoPin = 3;
int BeepPin = 5;

void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(TrigPin, OUTPUT);
pinMode(EchoPin, INPUT);
pinMode(BeepPin, OUTPUT);
}
void loop() {
int distance, duration;
digitalWrite(TrigPin, HIGH);//На пин Trig подаётся логическая единица.
delayMicroseconds(10);//Удерживается это состояние 10 микросекунд
digitalWrite(TrigPin, LOW);//убирается это состояние
duration = pulseIn(EchoPin, HIGH);//Значение с пина Echo, считывается и записывается в значение duration
duration = duration/29/2;//Подсчёт дистанции. Скорость звука 340 м/с или 29 микросекунд на сантиметр
Serial.print(duration);
Serial.println(" cm");
if (duration<50) // Если расстояние менее 50 сантиметром
{
tone(BeepPin, 500); // включаем пьезоизлучатель c частотой 500 Гц
}
else
{
tone(BeepPin, 1000); // включаем пьезоизлучатель c частотой 1000 Гц
}

}

Используя функцию tone() нужно обратить внимание на то, что она мешает использовать ШИМ на пинах 3 и 11 Ардуино, (на платформу Mega это не распространяется). Допустим, в моих примерах функция tone() вызывается на 5 пине, но она может мешать работе ШИМ на выводах 3 и 11, это нужно учитывать при построении дальнейших своих устройств. Ещё один момент, с функцией tone() нельзя одновременно использовать более одного пьезоизлучателя. Для того что бы включить звук на втором пьезоизлучателе, первый обязательно нужно отключить функцией noTone().

В процессе данных экспериментах выяснил, что более точное определение расстояния производится с расстоянием до 2 м. Так же, дальномер до исследуемого объекта нужно располагать под прямым углом, поскольку эффективный угол наблюдения порядка 15°.

hc-sr04

Возможно ли при помощи такого датчика поддерживать заданное расстояние от датчика до земли. При удалении от земли включить серводвигатель и опустить датчик до заданного расстояния, а, при приближении к земле ближе заданного расстояния, при помощи этого же сервомотора поднять датчик на заданный уровень.

До 2-х метров от земли можно пробовать, но нужно учитывать что бы отражающая поверхность была под нужным углом. Управлять спутником на орбите не получится, там я думаю нужно использовать барометр, которым можно замерять высоту над уровнем моря.

0 #4 Борис 17.02.2019 00:48

Возможно ли при помощи такого датчика поддерживать заданное расстояние от датчика до земли. При удалении от земли включить серводвигатель и опустить датчик до заданного расстояния, а, при приближении к земле ближе заданного расстояния, при помощи этого же сервомотора поднять датчик на заданный уровень.

0 #3 serega 22.01.2019 16:51

Спасибо большое очень помогло.

0 #2 Radiolis 06.11.2018 12:48

Цитирую Андрей:

Добрый день. Скорость звука 331 м/с, т.е. 30,21 мксек/см. Почему делить на 29, а не 30? Спасибо

Здравствуйте,
Скорость звука 331 м/с при 0°C. Чем выше температура, тем выше скорость звука, при +15°C скорость звука 340 м/с

0 #1 Андрей 05.11.2018 14:32

Добрый день. Скорость звука 331 м/с, т.е. 30,21 мксек/см. Почему делить на 29, а не 30? Спасибо

Обновить список комментариев
RSS лента комментариев этой записи

You have no rights to post comments

JComments

Главное меню

Последние статьи

Последние комментарии

Самое читаемое

Подключаем ультразвуковой дальномер HC-SR04 к Arduino

Комментарии