Дальномер HC-SR04 подключение к Arduino. Радиосхемы схемы электрические принципиальные Ультразвуковые датчики расстояния характеристики

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

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

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. */ }

Является ультразвуковым датчиком расстояния - дальномером. Принцип работы датчика очень похож на работу сенсоров летучих мышей или дельфинов. Датчик излучает пакет звуковых импульсов на ультразвуковой частоте. Отраженные от препятствий звуковые волны возвращаются обратно к датчику. Микрофон датчика улавливает первый пришедший импульс. По времени прохождения импульса можно вычислить расстояние до препятствия. Ультразвук не слышен человеческим ухом, по этому датчик не производит никаких слышимых шумов. Исходя из принципа работы можно определить основные особенности измерения расстояния таким датчиком. Во первых, датчик измеряет расстояние в определенном секторе пространства перед собой, равный 15 градусам, и любой предмет, помещенный в этот сектор, способен отразить звуковую волну. Если предмет достаточно маленький, то мощности отраженной волны может не хватить для определения расстояния до такого предмета, и он становится «не видим» для датчика. Некоторые поверхности, если они расположены под углом к датчику, отражают звуковые волны в сторону, как зеркало. В этом случае датчик так же может давать ложные данные.

Датчик HC-SR04 имеет два контакта для подключения к микроконтроллеру: TRIG и ECHO. Для начала процесса измерения необходимо на вход TRIG подать сигнал высокого уровня длительностью 10 мкс. Датчик излучит в пространство серию ультразвуковых импульсов. После приема отраженного сигнала, датчик формирует на выводе ECHO импульс высокого уровня, длительность которого пропорционально расстоянию до преграды (150мкс-25мс). После одного цикла работы датчика, волны продолжают распространяться по помещению и отражаться. Если в этот момент снова активизировать измерение, вполне вероятно, что сенсор датчика зафиксирует отраженные волны от предыдущей серии импульсов и результат измерения будет не верным.

Для пересчета в длины импульса в расстояние используется формула:
S=F/58,
где:
S - дистанция в сантиметрах,
F - длительность импульса ECHO в микросекундах.

На рисунке приведен один из возможных вариантов подключения дальномера HC-SR04 к Ардуино. Контакт TRIG дальномера подключен к Pin 9, контакт ECHO к Pin 8. Дальномер запитан от напряжения питания 5 вольт, взятое с платы Arduino.

Для работы с дальномером HC-SR04 c Arduino удобно использовать функцию pulseIn. При помощи этой функции меряется длительность импульса на контакте ECHO. Ниже приведен пример программы для Arduino, которая опрашивает дальномер HC-SR04 и передает измеренное значение в сантиметрах в последовательный порт. Данные из последовательного порта считываем монитором, входящим в комплект программы IDE Arduino.

#define Trig 9
#define Echo 8

Void setup()
{
pinMode(Trig, OUTPUT);
pinMode(Echo, INPUT);
Serial.begin(9600);
}

Void loop()
{
digitalWrite(Trig, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(Trig, LOW);
unsigned int impulse=pulseIn(Echo, HIGH);
unsigned int distance=impulse/58;
Serial.println(distance);
delay(1000);

Самодельное охранное оборудование

В. ГУСЬКОВ, В. СВИРИДОВ, г. Самара
Радио, 2002 год, № 8

Работа многих систем охранной сигнализации основана на очень простом принципе: в охраняемом помещении в неурочное время не должно быть никакого движения. Чтобы обнаружить его, помещение "заполняют" излучением - чаще всего радио- или акустическим. Многократно отразившись от стен и находящихся в помещении предметов, лучи достигают приемника. Любое изменение обстановки вызовет модуляцию принятого сигнала, что и зафиксирует датчик.
Акустические (ультразвуковые) датчики такого типа имеют довольно существенное преимущество над использующими радиоволны - ничего не излучая в "эфир", они не требуют оформления разрешений на установку и эксплуатацию. Читателям предлагается описание одного из подобных датчиков, сравнительно простого и достаточно чувствительного для охраны помещения площадью до 20 м 2 .

В отличие от акустических датчиков, описания которых были ранее опубликованы в журнале "Радио" , предлагаемый действует по несколько иному принципу, защищенному патентом .

Основные технические характеристики

Частота звука, кГц...............10
Излучаемая акустическая
мощность, мВт, не более........5
Напряжение питания (постоянное), В................10...16
Потребляемая мощность
в дежурном режиме, мВт......120
Габариты, мм............150x50x30

Выходная цепь - "сухие" контакты реле, кроме того, о срабатывании сигнализирует зажигание светодиода.

Схема прибора

Для увеличения кликните по изображению (откроется в новом окне)

К входу усилителя на ОУ DA1.1 и DA1.2 подключен пьезоэлектрический микрофон ВМ1, к выходу - пьезоэлектрический звукоизлучатель BF1. В результате усилитель охвачен акустической обратной связью через контролируемый газовый объем, за счет которой в системе возникают автоколебания. Их частота зависит от АЧХ и ФЧХ элементов (в первую очередь микрофона и излучателя) и от акустических свойств охраняемого помещения. Амплитуду колебаний поддерживает постоянной система АРУ из детектора на диодах VD2, VD3 и усилителя на одном из элементов микросхемы DA2 К176ЛП1. Регулирующими элементами АРУ служат имеющиеся в той же микросхеме отдельные полевые транзисторы, участки сток-исток которых включены в цепи местной обратной связи каскадов на ОУ DA1.1 и DA1.2.

Если в чувствительной зоне датчика движется какой-либо объект (нарушитель), изменяется затухание и задержка отраженных от него акустических волн, что приводит к изменению амплитуды генерируемых датчиком колебаний. Цепями R7C10 и R6C1C6 заданы частотные характеристики контура АРУ, необходимые для устойчивой работы датчика в различных условиях при эффективном слежении за изменениями амплитуды сигнала.

Переменная составляющая напряжения на выходе усилителя АРУ, вызванная движением, поступает на вход компаратора DA1.3. Порог срабатывания устанавливают подстроечным резистором R8. К выходу компаратора через буферный усилитель из двух соединенных параллельно элементов микросхемы DD1 подключен светодиод HL1, вспышками свидетельствующий о движении в охраняемом помещении.

Кроме того, сигнал с выходов элементов DD1.1 и DD1.2 запускает одновибратор на элементах DD1.3 и DD1.4, импульсы которого открывают ключ на транзисторе VT2, заставляя сработать реле К1. Одновибратор генерирует импульсы лишь при условии, что на входе 13 элемента DD1.4 - высокий логический уровень. Благодаря цепи R14C16 этот уровень будет достигнут лишь через некоторое время после включения питания, давая датчику возможность войти в установившийся режим, не подавая сигналов тревоги.

Если тревожные импульсы повторяются слишком часто, конденсатор С16 разряжается через резистор R16 и диод VD5, что блокирует запуск одновибрато-ра и предотвращает лишние срабатывания реле К1. Таким образом достигается значительная экономия ресурса реле и потребляемой мощности.

Стабилизатор напряжения питания построен по несколько необычной схеме с регулирующим транзистором VT1 в минусовой цепи, что позволило уменьшить число деталей в приборе. Диод VD1 защищает от неправильной полярности подключения к источнику питания.

Внешний вид датчика показан на рис. 2.

Он собран на печатной плате, помещенной в корпус из изоляционного материала, например, полистирола. На верхней крышке корпуса установлены микрофон ВМ1 и излучатель BF1, акустически изолированные от корпуса и друг от друга с помощью поролоновых шайб толщиной 3 мм. Чем больше расстояние между излучателем и микрофоном, тем выше чувствительность датчика. В авторской конструкции оно составило 100 мм. В той же крышке предусмотрено отверстие для светодиода HL1.

В качестве BF1 и ВМ1 применены одинаковые пьезопреобразователи ВУТА-1, выпускаемые предприятием «Альфа-Оптим» (г. Волгоград). Замена их на более высокочастотные и чувствительные желательна, однако это потребует некоторых доработок датчика, изменяющих частотные характеристики контура автогенерации.

В датчике установлены оксидные конденсаторы К50-35, керамические К10-17, резисторы МЛТ-0,125, реле РЭС55А (паспорт РС4.569.600-01). Транзисторы КТ361Б можно заменить на КТ361Г, КТ361Е и другие маломощные кремниевые структуры р-п-р.

При регулировке чувствительности датчика (подстроечным резистором R8) иногда приходится для достижения нужного результата поменять местами выводы 12 и 13 элемента DA1.3.

ЛИТЕРАТУРА
1. Вилл В. Ультразвуковой автосторож. - Радио, 1996, № 1, с. 52-54.
2. Волков А. УЗ датчик охранной сигнализации. - Радио, 1996, № 5, с. 54-56.
3. Койнов А. Ультразвуковое охранное устройство. - Радио, 1998, № 7, с. 42.
4. Гуськов В., Гуськова М. Способ для определения изменения состояния объема, заполненного упругой средой, и устройства (варианты) для его осуществления. - Патент РФ № 2104494 МКИ 6G 01D1/18, заявлено 26 января 1995 г., опубликовано 10 февраля 1998 г.