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.

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.

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.

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

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.

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

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.

Если вместо светодиода, подключить лампу накаливания, как это описано в статье « », 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.

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

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.

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.

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.

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°.

1 Принцип действия ультразвукового дальномера HC-SR04

Действие ультразвукового дальномера HC-SR04 основано на принципе эхолокации. Он излучает звуковые импульсы в пространство и принимает отражённый от препятствия сигнал. По времени распространения звуковой волны к препятствию и обратно определяется расстояние до объекта.

Запуск звуковой волны начинается с подачи положительного импульса длительностью не менее 10 микросекунд на ножку TRIG дальномера. Как только импульс заканчивается, дальномер излучает в пространство перед собой пачку звуковых импульсов частотой 40 кГц. В это же время на ножке ECHO дальномера появляется логическая единица. Как только датчик улавливает отражённый сигнал, на выводе ECHO появляется логический ноль. По длительности логической единицы на ножке ECHO («Задержка эхо» на рисунке) определяется расстояние до препятствия.

Диапазон измерения расстояния дальномера HC-SR04 - до 4 метров с разрешением 0,3 см. Угол наблюдения - 30°, эффективный угол - 15°. Ток потребления в режиме ожидания 2 мА, при работе - 15 мА.

2 Схема подключения датчика расстояния

Питание ультразвукового дальномера осуществляется напряжением +5 В. Два других вывода подключаются к любым цифровым портам Arduino, мы подключим к 11 и 12.

3 Получение дистанции до объекта с датчика HC-SR04

Теперь напишем скетч, определяющий расстояние до препятствия и выводящий его в последовательный порт. Сначала задаём номера выводов TRIG и ECHO - это 12 и 11 пины. Затем объявляем триггер как выход, а эхо - как вход. Инициализируем последовательный порт на скорости 9600 бод. В каждом повторении цикла loop() считываем дистанцию и выводим в порт.

Const int trigPin = 12; const int echoPin = 11; void setup() { pinMode(trigPin, OUTPUT); // триггер - выходной пин pinMode(echoPin, INPUT); // эхо - входной digitalWrite(trigPin, LOW); Serial.begin(9600); // инициализация послед. порта } void loop() { long distance = getDistance(); // получаем дистанцию с датчика Serial.println(distance); // выводим в последовательный порт delay(100); } // Определение дистанции до объекта в см long getDistance() { long distacne_cm = getEchoTiming() * 1.7 * 0.01; return distacne_cm; } // Определение времени задержки long getEchoTiming() { digitalWrite(trigPin, HIGH); // генерируем 10 мкс импульс запуска delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); // определение на пине echoPin длительности уровня HIGH, мкс: long duration = pulseIn(echoPin, HIGH); return duration; }

Функция getEchoTiming() генерирует импульс запуска. Она как раз создаёт тот 10-микросекундный импульс, который является триггером для начала излучения дальномером звукового пакета в пространство. Далее она запоминает время от начала передачи звуковой волны до прихода эха.

Функция getDistance() рассчитывает дистанцию до объекта. Из школьного курса физики мы помним, что расстояние равно скорость умножить на время: S = V×t Скорость звука в воздухе 340 м/сек, время в микросекундах мы знаем (переменная duration ). Чтобы получить время duration в секундах, нужно разделить его на 1 000 000. Так как звук проходит двойное расстояние - до объекта и обратно - нужно ещё разделить результат пополам. Вот и получается, что расстояние до объекта S = 34000 см/сек × duration / 1 000 000 сек / 2 = 1,7 см/сек / 100, что мы и написали в скетче.

Операцию умножения микроконтроллер выполняет быстрее, чем операцию деления, поэтому :100 я заменил на эквивалентное ×0,01 .

4 Библиотека для работы с эхолокатором HC-SR04

Также для работы с ультразвуковым дальномером написано множество библиотек. Например, вот эта библиотека Ultrasonic . Установка библиотеки происходит стандартно: скачать, разархивировать в директорию /libraries/ , которая находится в папке с Arduino IDE. После этого библиотекой можно пользоваться.

Установив библиотеку, напишем новый скетч.

#include // подключаем библиотеку Ultrasonic ultrasonic(12, 11); // Trig - 12, Echo - 11 void setup() { Serial.begin(9600); // инициализация послед. порта } void loop() { float dist_cm = ultrasonic.Ranging(CM); // дистанция в см Serial.println(dist_cm); // выводим дистанцию в порт delay(100); }

Результат его работы тот же - в мониторе последовательного порта выводится дистанция до объекта в сантиметрах.

Если в скетче написать float dist_cm = ultrasonic.Ranging(INC); - дистанция будет отображаться в дюймах.

5 Выводы по работе с сонаром HC-SR04

Итак, мы с вами подключили к Arduino ультразвуковой дальномер HC-SR04 и получили с него данные двумя разными способами: с использованием специальной библиотеки и без.

Преимущество использования библиотеки в том, что количество кода значительно сокращается и улучшается читаемость программы, вам не приходится вникать в тонкости работы устройства и вы сразу же можете его использовать. Но в этом же кроется и недостаток: вы хуже понимаете, как работает устройство и какие в нём происходят процессы. В любом случае, каким способом пользоваться - решать только вам.

Приобрести ультразвуковой дальномер по хорошей цене можно

Входное напряжение 5 В постоянного тока, подаётся на выводы Vcc и GND датчика.

Подробнее о датчике:

Если подать положительный импульс на вход датчика TRIG длительностью 10 мкс, то датчик отправит звуковую волну (8 импульсов на частоте 40 кГц - ультразвук) и установит уровень логической «1» на выходе ECHO. Звуковая волна отразится от препятствия и вернётся на приёмник датчика, после чего он сбросит уровень на выходе ECHO в логический «0» (то же самое датчик сделает, если звуковая волна не вернётся в течении 38 мс.) В результате время наличия логической «1» на выходе ECHO равно времени прохождения ультразвуковой волны от датчика до препятствия и обратно. Зная скорость распространения звуковой волны в воздухе и время наличия логической «1» на выводе ECHO, можно рассчитать расстояние до препятствия.

Расстояние вычисляется умножением скорости на время (в данном случае скорости распространения звуковой волны V , на время ожидания эха Echo ). Но так звуковая волна проходит расстояние от датчика до объекта и обратно, а нам нужно только до объекта, то результат делим на 2:

L = V * Echo / 2

• L – расстояние (м);
• V – скорость звука в воздухе (м/с);
• Echo – время ожидания эха (с).

Скорость звука в воздухе , в отличии от скорости света, величина не постоянная и сильно зависит от температуры:

V 2 = γ R T / M

• V – скорость звука в воздухе (м/с)
• γ – показатель адиабаты воздуха (ед.) = 7/5
• R – универсальная газовая постоянная (Дж/моль*K) = 8,3144598(48)
• T ° К) = t°C + 273,15
• M – молекулярная масса воздуха (г/моль) = 28,98

Подставив в формулу известные значения γ , R , M , получим:

V ≈ 20,042 √T

• T – абсолютная температура воздуха (° К) = t°C + 273,15

Осталось объединить формулы вычисления V и L , и перевести L из м в см, Echo из с в мкс, T из °К в °C, получим:

L ≈ Echo √(t+273,15) / 1000

• L – расстояние (см)
• Echo – время ожидания эха (мкс)
• t – температура воздуха (°C)

iarduino_HC_SR04 и iarduino_HC_SR04_int , синтаксис обеих библиотек одинаков. Они сами рассчитывают все значения и возвращают только расстояние в см. Температура по умолчанию установлена в 23°C, но её можно указывать. Работа с библиотеками и их функции описаны ниже.

Для работы с датчиком, нами разработаны две библиотеки iarduino_HC_SR04 и iarduino_HC_SR04_int , синтаксис обеих библиотек одинаков.

• Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04 является то, что датчики можно подключать к любым выводам Arduino , а недостаток заключается в том, что библиотека ждёт ответа от датчика, который может длиться до 38 мс.
• Преимуществом библиотеки iarduino_HC_SR04_int является то, что она не ждёт ответа от датчиков (не приостанавливает выполнение скетча), но выводы ECHO датчиков нужно подключать только к тем выводам Arduino , которые используют внешние прерывания.

Подробнее про установку библиотеки читайте в нашей .

Примеры:

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04:

// Подключаем библиотеку iarduino_HC_SR04 sensor(2,3); // Объявляем объект sensor, указывая номера arduino подключенные к выводам TRIG и ECHO датчика // Можно использовать любые выводы Arduino void setup(){ Serial.begin(9600); // Инициализация передачи данных в монитор последовательного порта } void loop(){ delay(500); // Задержка 0,5 сек Serial.println(sensor.distance()); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около +23 °C Serial.println(sensor.distance(-20)); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около -20 °C Serial.println("=================="); }

Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04_int:

#include // Подключаем библиотеку iarduino_HC_SR04_int sensor(2,3); // Объявляем объект sensor, указывая номера arduino подключенные к выводам TRIG и ECHO датчика // (вывод ECHO нужно подключить к выводу Arduino использующему внешнее прерывание) void setup(){ Serial.begin(9600); // Инициализация передачи данных в монитор последовательного порта } void loop(){ delay(500); // Задержка 0,5 сек Serial.println(sensor.distance()); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около +23 °C Serial.println(sensor.distance(-20)); // Вывод расстояния (см) при температуре воздуха, около -20 °C Serial.println("=================="); }

Результат работы обоих примеров:

Из примера видно, что если во время измерений не учитывать температуру воздуха, то можно получить результаты с высокой погрешностью.

Новые статьи

● Проект 23: Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04. Принцип работы, подключение, пример

В этом эксперименте мы рассмотрим ультразвуковой датчик для измерения расстояния и создадим проект вывода показаний датчика на экран ЖКИ WH1602.

Необходимые компоненты:

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 (рис. 23.1) - это помещенные на одну плату приемник и передатчик ультразвукового сигнала. Излучатель генерирует сигнал, который, отразившись от препятствия, попадает на приемник. Измерив время, за которое сигнал проходит до объекта и обратно, можно оценить расстояние. Кроме самих приемника и передатчика, на плате находится еще и необходимая обвязка, чтобы сделать работу с этим датчиком простой и удобной.

Характеристики ультразвукового дальномера HC-SR04:

Измеряемый диапазон - от 2 до 500 см;
. точность - 0,3 см;
. угол обзора - < 15°;
. напряжение питания - 5 В.

Датчик имеет 4 вывода стандарта 2,54 мм:

VCC - питание +5 В;
. Trig (T) - вывод входного сигнала;
. Echo (R) - вывод выходного сигнала;
. GND - земля.

Последовательность действий для получения данных такова:

Подаем импульс продолжительностью 10 мкс на вывод Trig;
. внутри дальномера входной импульс преобразуется в 8 импульсов частотой 40 кГц и посылается вперед через излучатель T;
. дойдя до препятствия, посланные импульсы отражаются и принимаются приемником R, в результате получаем выходной сигнал на выводе Echo;
. непосредственно на стороне контроллера переводим полученный сигнал в расстояние по формуле:

Ширина импульса (мкс) / 58 = дистанция (см);
-- ширина импульса (мкс) / 148 = дистанция (дюйм).

В нашем эксперименте мы создадим звуковую сигнализацию, которая будет включаться при приближении к плате Arduino на расстояние меньше 1 м. Датчик размещен на кронштейне вращающейся сервы и контролирует пространство с углом обзора 180°. Если датчик обнаруживает объект в радиусе 1 м, подается звуковой сигнал на пьзоизлучатель, вращение сервы прекращается. Схема соединения элементов представлена на рис. 23.2.

Рис. 23.2. Схема соединения элементов для звуковой сигнализации

При написании скетча будем использовать библиотеку Servo для работы с сервоприводом и библиотеку Ultrasonic.
Для работы Arduino с датчиком HC-SR04 имеется готовая библиотека - Ultrasonic.
Конструктор Ultrasonic принимает два параметра: номера пинов, к которым подключены выводы Trig и Echo, соответственно:

Ultrasonic ultrasonic(12,13);

Содержимое скетча показано в листинге 23.1.

#include // подключение библиотеки Servo Servo servo1; const int pinServo=8 ; // пин для подключения сервопривода int pos = 0 ; // переменная для хранения позиции сервопривода int dir =1 ; // направление перемещения сервопривода // Выводы для подключения HC-SR04 Trig - 12, Echo - 13 Ultrasonic ultrasonic (12 , 13 ) ; float dist_cm; // переменная для дистанции, см // подключить динамик к pin 9 int speakerPin = 9 ; void setup () { // подключить переменную servo1 к выводу pinServo1 servo1.attach(pinServo1); pinMode(speakerPin, OUTPUT); } void loop () { servo1.write(pos); // поворот сервоприводов на полученный угол delay(15 ); // пауза для ожидания поворота сервоприводов float dist_cm = ultrasonic.Ranging(CM); if (dist_cm<100 && dist_cm>20 ) tone(speakerPin,); // включить пьезозуммер else { tone(speakerPin,0 ); // отключить пьезозуммер pos=pos+dir; // изменение переменной положения сервопривода if (pos==0 || pos==180 ) dir=dir*(-1 ); // изменение направления движения } }
Порядок подключения:

1. Закрепляем датчик расстояния HC-SR04 на сервоприводе.
2. Подключаем датчик HC-SR04, пьезозуммер и сервопривод к плате Arduino по схеме на рис. 23.2.
3. Загружаем в плату Arduino скетч из листинга 23.1.
4. Наблюдаем за циклическим перемещением сервопривода, при попадании объекта в поле зрения датчика HC-SR04 пьезозуммер издает сигнал, сервопривод останавливается, при исчезновении объекта из поля зрения датчика сервопривод возобновляет движение.

Листинги программ

В данное статье рассмотрим принцип работы ультразвукового дальномера HC-SR04.

Принцип работы ультразвукового дальномера основан на испускании ультразвука и его отражения от впереди находящихся предметов. Исходя из времени возвращения звука, по простой формуле, можно рассчитать расстояние до объекта. Дальномер HC-SR04 является самым дешевым дальномером для хоббийного использования. При малой цене обладает хорошими характеристиками, способен измерять расстояние в диапазоне от 2 до 450см.

Используемые компоненты (купить в Китае):

Принцип работы датчика можно условно разделить на 4 этапа:

1. Подаем импульс продолжительностью 10 мкс, на вывод Trig.

2. Внутри дальномера входной импульс преобразуется в 8 импульсов частотой 40 КГц и посылается вперед через "T глазик"

3. Дойдя до препятствия, посланные импульсы отражаются и принимаются "R глазиком". Получаем выходной сигнал на выводе Echo.

4. Непосредственно на стороне контроллера переводим полученный сигнал в расстояние по формуле:

ширина импульса (мкс) / 58= дистанция (см)

ширина импульса (мкс) / 148= дистанция (дюйм)

Подключение к Arduino

Модуль оборудован четырех-пиновым разъемом стандарта 2.54мм

VCC : "+" питания

TRIG (T) : вывод входного сигнала

ECHO (R) : вывод выходного сигнала (Длина сигнала зависит от расстояния объекта до датчика)

GND : "-" питания

Подключив датчик к Arduino остается только залить скетч для работы. В приведенном ниже скетче информация о расстоянии будет отсылаться в порт компьютера, а также при дистанции менее 30 сантиметров зажигать светодиод подключенный к 13 пину.

пример программного кода:

#define Trig 9 #define Echo 8 #define ledPin 13 void setup //инициируем как выход pinMode (Echo, INPUT ); //инициируем как вход pinMode (ledPin, OUTPUT ); Serial .begin (9600); /* задаем скорость общения. В нашем случае с компьютером */ } unsigned int impulseTime=0; unsigned int distance_sm=0; void loop () { digitalWrite (Trig, HIGH ); /* Подаем импульс на вход trig дальномера */ delayMicroseconds (10); // равный 10 микросекундам digitalWrite (Trig, LOW ); // Отключаем impulseTime=pulseIn (Echo, HIGH ); // Замеряем длину импульса distance_sm=impulseTime/58; Serial .println (distance_sm); // Выводим на порт if (distance_sm<30) // Если расстояние менее 30 сантиметром { digitalWrite (ledPin, HIGH ); // Светодиод горит } else { digitalWrite (ledPin, LOW ); // иначе не горит } delay (100); /* ждем 0.1 секунды, Следующий импульс может быть излучён, только после исчезновения эха от предыдущего. Это время называется периодом цикла (cycle period). Рекомендованный период между импульсами должен быть не менее 50 мс. */ }

Дополнительный пример работы:

Взаимодействие дальномера и сервопривода. Дистанция, измеряемая дальномером преобразуется в угол поворота сервопривода

Пример программного кода

//Тестировалось на Arduino IDE 1.0.1 #include #define coef 10 //(коэффициент соответствия 10 градусов на 1см) #define dead_zone 4 #define max_value 22 #define Trig 9 #define Echo 8 #define ledPin 13 #define servoPin 11 Servo myservo; void setup () { pinMode (Trig, OUTPUT ); //инициируем как выход pinMode (Echo, INPUT ); //инициируем как вход pinMode (ledPin, OUTPUT ); myservo.attach (servoPin); myservo.write (0); } unsigned int impulseTime=0; unsigned int distance_sm=0; void loop () { digitalWrite (Trig, HIGH ); /* Подаем импульс на вход trig дальномера */ delayMicroseconds (10); // равный 10 микросекундам digitalWrite (Trig, LOW ); // Отключаем impulseTime = pulseIn (Echo, HIGH ); // Замеряем длину импульса distance_sm = impulseTime/58; // Пересчитываем в сантиметры if (distance_sm >= dead_zone && distance_sm <= max_value) { myservo.write (coef * (distance_sm - dead_zone)); } else if (distance_sm < dead_zone)// если дистанция менее 4 см, серва в положении ноль градусов { myservo.write (0); } else { myservo.write (180); } delay (100); /* ждем 0.1 секунды, Следующий импульс может быть излучён, только после исчезновения эха от предыдущего. Это время называется периодом цикла (cycle period). Рекомендованный период между импульсами должен быть не менее 50 мс. */ }