Дальномер HC-SR04 подключение к Arduino. Ультразвуковой датчик расстояния Ардуино HC-SR04 Hc sr04 подключение к atmega8

Дальномер — это устройство для измерения расстояния до некоторого предмета. Дальномер помогает роботам в разных ситуациях. Простой колесный робот может использовать этот прибор для обнаружения препятствий. Летающий дрон использует дальномер для баражирования над землей на заданной высоте. С помощью дальномера можно даже построить карту помещения, применив специальный алгоритм SLAM.

1. Принцип действия

На этот раз мы разберем работу одного из самых популярных датчиков — ультразвукового (УЗ) дальномера. Существует много разных модификаций подобных устройств, но все они работают по принципу измерения времени прохождения отраженного звука. То есть датчик отправляет звуковой сигнал в заданном направлении, затем ловит отраженное эхо и вычисляет время полета звука от датчика до препятствия и обратно.

Из школьного курса физики мы знаем, что скорость звука в некоторой среде величина постоянная, но зависящая от плотности среды. Зная скорость звука в воздухе и время полета звука до цели, мы можем рассчитать пройденное звуком расстояние по формуле: s = v*t где v — скорость звука в м/с, а t — время в секундах. Скорость звука в воздухе, кстати, равна 340.29 м/с. Чтобы справиться со своей задачей, дальномер имеет две важные конструктивные особенности. Во-первых, чтобы звук хорошо отражался от препятствий, датчик испускает ультразвук с частотой 40 кГц. Для этого в датчике имеется пьезокерамический излучатель, который способен генерировать звук такой высокой частоты. Во-вторых, излучатель устроен таким образом, что звук распространяется не во все стороны (как это бывает у обычных динамиков), а в узком направлении. На рисунке представлена диаграмма направленности типичного УЗ дальномера.

Как видно на диаграмме, угол обзора самого простого УЗ дальномера составляет примерно 50-60 градусов. Для типичного варианта использования, когда датчик детектирует препятствия перед собой, такой угол обзора вполне пригоден. Ультразвук сможет обнаружить даже ножку стула, тогда как лазерный дальномер, к примеру, может её не заметить. Если же мы решим сканировать окружающее пространство, вращая дальномер по кругу как радар, УЗ дальномер даст нам очень неточную и шумную картину. Для таких целей лучше использовать как раз лазерный дальномер. Также следует отметить два серьезных недостатка УЗ дальномера. Первый заключается в том, что поверхности имеющие пористую структуру хорошо поглощают ультразвук, и датчик не может измерить расстояние до них. Например, если мы задумаем измерить расстояние от мультикоптера до поверхности поля с высокой травой, то скорее всего получим очень нечеткие данные. Такие же проблемы нас ждут при измерении дистанции до стены покрытой поролоном. Второй недостаток связан со скоростью звуковой волны. Эта скорость недостаточно высока, чтобы сделать процесс измерения более частым. Допустим, перед роботом есть препятствие на удалении 4 метра. Чтобы звук слетал туда и обратно, потребуется целых 24 мс. Следует 7 раз отмерить, прежде чем ставить УЗ дальномер на летающих роботов.

2. Ультразвуковой дальномер HC-SR04

В этом уроке мы будем работать с датчиком HC-SR04 и контроллером Ардуино Уно. Этот популярный дальномер умеет измерять расстояние от 1-2 см до 4-6 метров. При этом, точность измерения составляет 0.5 — 1 см. Встречаются разные версии одного и того же HC-SR04. Одни работают лучше, другие хуже. Отличить их можно по рисунку платы на обратной стороне. Версия, которая работает хорошо выглядит так:

А вот версия, которая может давать сбои:

3. Подключение HC-SR04

Датчик HC-SR04 имеет четыре вывода. Кроме земли (Gnd) и питания (Vcc) еще есть Trig и Echo. Оба этих вывода цифровые, так что подключаем из к любым выводам Ардуино Уно:

HC-SR04	GND	VCC	Trig	Echo
Arduino Uno	GND	+5V	3	2

Принципиальная схема устройства

Внешний вид макета

4. Программа

Итак, попробуем приказать датчику отправить зондирующий ультразвуковой импульс, а затем зафиксируем его возвращение. Посмотрим как выглядит временная диаграмма работы HC-SR04.

На диаграмме видно, что для начала измерения нам необходимо сгенерировать на выводе Trig положительный импульс длиной 10 мкс. Вслед за этим, датчик выпустит серию из 8 импульсов и поднимет уровень на выводе Echo , перейдя при этом в режим ожидания отраженного сигнала. Как только дальномер почувствует, что звук вернулся, он завершит положительный импульс на Echo . Получается, что нам нужно сделать всего две вещи: создать импульс на Trig для начала измерения, и замерить длину импульса на Echo, чтобы потом вычислить дистанцию по нехитрой формуле. Делаем. int echoPin = 2; int trigPin = 3; void setup() { Serial.begin (9600); pinMode(trigPin, OUTPUT); pinMode(echoPin, INPUT); } void loop() { int duration, cm; digitalWrite(trigPin, LOW); delayMicroseconds(2); digitalWrite(trigPin, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(trigPin, LOW); duration = pulseIn(echoPin, HIGH); cm = duration / 58; Serial.print(cm); Serial.println(" cm"); delay(100); } Функция pulseIn замеряет длину положительного импульса на ноге echoPin в микросекундах. В программе мы записываем время полета звука в переменную duration. Как мы уже выяснили ранее, нам потребуется умножить время на скорость звука: s = duration * v = duration * 340 м/с Переводим скорость звука из м/с в см/мкс: s = duration * 0.034 м/мкс Для удобства преобразуем десятичную дробь в обыкновенную: s = duration * 1/29 = duration / 29 А теперь вспомним, что звук прошел два искомых расстояния: до цели и обратно. Поделим всё на 2: s = duration / 58 Теперь мы знаем откуда взялось число 58 в программе! Загружаем программу на Ардуино Уно и открываем монитор последовательного порта. Попробуем теперь наводить датчик на разные предметы и смотреть в мониторе рассчитанное расстояние.

Задания

Теперь, когда мы умеем вычислять расстояние с помощью дальномера, сделаем несколько полезных устройств.

Строительный дальномер. Программа каждые 100мс измеряет расстояние с помощью дальномера и выводит результат на символьный ЖК дисплей. Для удобства полученное устройство можно поместить в небольшой корпус и запитать от батареек.
Ультразвуковая трость. Напишем программу, которая будет «пищать» зуммером с различной частотой, в зависимости от измеренного расстояния. Например, если расстояние до препятствия более трех метров — зуммер издает звук раз в пол секунды. При расстоянии 1 метр — раз в 100мс. Менее 10см — пищит постоянно.

Заключение

Ультразвуковой дальномер — простой в использовании, дешевый и точный датчик, который отлично выполняет свою функцию на тысячах роботов. Как мы выяснили из урока, у датчика есть недостатки, которые следует учитывать при постройке робота. Хорошим решением может стать совместное использование ультразвукового дальномера в паре с лазерным. В таком случае, они будут нивелировать недостатки друг друга.

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:

#include // 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

Добрый день, уважаемые программисты. Сегодня мы переходим к третьему уроку. Мы научимся подключать ультразвуковой дальномер HC-SR04 к Arduino . Разберем принцип работы дальномера , его характеристики и программирование этого устройства.

Ну что, приступим! Начнем мы с характеристики дальномера.

Характеристики ультразвукового датчика HC-SR04

Большим превосходством такого ультразвукового датчика над инфракрасными является то, что на ультразвуковые датчики не влияют источники света или цвет препятствие. Могут возникнуть проблемы с измерением расстояния до тонких или пушистых объектов. Хотелось бы сказать, что скорость звука в воздухе зависит от температуры. Следовательно, погрешность измерения будет меняться от повышения или понижения температуры.

Рабочее напряжение 4,8 В до 5,5 В (± 0.2В макс).
Диапазон измерения: от 2 см до 400 см.
Диапазон рабочих температур: 0 ° С до 60 ° С (± 10%).
Ток потребления в режимах ожидания до 2 мА.
Ток потребления в режимах работы 15 мА.
Ультразвуковой диапазон работы на частоте 40 кГц.
Угол обзора 15 градусов.
Измеряемое расстояние от 0,03 до 0,6 мс разрешающей способностью 3 мм.
От 0,6 до 5 погрешность увеличивается.

Датчик имеет 4 вывода:

VCC: "+" питание
TRIG (T): вывод входного сигнала
ECHO (R): вывод выходного сигнала
GND: "-" питание

Необходимые компоненты для подключения ультразвукового дальномера

Arduino (в нашем случае - UNO)
Breadboard (макетная плата для удобного подключения приборов к Arduino)
Провода
Ультразвуковой датчик HC-SR04

Принцип работы ультразвукового дальномера HC-SR04

Подаем импульс продолжительностью 10 мкс, на вывод Trig.
Внутри дальномера входной импульс преобразуется в 8 импульсов частотой 40 КГц и посылается вперед через "T глазик".
Дойдя до препятствия, импульсы отражаются и принимаются "R глазиком". Получаем выходной сигнал на выводе Echo.
Непосредственно на стороне контроллера переводим полученный сигнал в расстояние.

Схема подключение дальномера к Arduino

Вам представлена схема подключения ультразвукового датчика к Ардуино. Как вы можете заметить, она очень проста и очень интересна. Но следует не забывать о правильном подключении. Мой совет: никогда не торопитесь подключать прибор потому, что вы больше затратите времени на поиск ошибки в подключении.

Следующим этапом является изучение скетча программы

Программирование ультразвукового датчика HC-SR04

#define Trig 8 /* Обозначаем пин подачи импульса*/
#define Echo 9 /* Обозначаем пин приема импульса*/
void setup() {
pinMode (Trig, OUTPUT); /*инициируем как выход */
pinMode (Echo, INPUT); /*инициируем как вход */
Serial.begin (9600); /* устанавливаем скорость порта */
}
unsigned int impulseTime=0;
unsigned int distance_sm=0;
void loop() {
digitalWrite (Trig, HIGH); /* Подаем импульс на вход trig дальномера */
delayMicroseconds (10); /* Импульс длится 10 микросекунд */
digitalWrite (Trig, LOW); // Отключаем подачу импульса
impulseTime=pulseIn (Echo, HIGH);
/*Принимаем импульс и подсчитываем его длину*/
distance_sm =impulseTime/58; /* Пересчитываем его значение в сантиметры */
Serial.println( distance_sm); /* Выводим значение на порт программы */
delay (200);
}

После того как вы вставили этот код, загрузите его в программу и включите "монитор порта". Там вы увидите расстояние от датчика до препятствия, поэкспериментируйте с изменением расстояния объекта.

Вот что должно у вас получиться!

Надеюсь у вас все получилось! Если у вас остались вопросы, можете написать нам в

макетная плата (breadboard);

персональный компьютер со средой разработки Arduino IDE.

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