Радиосхемы схемы электрические принципиальные. Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04 Принцип работы ультразвукового датчика расстояния
Статья посвящена ультразвуковому датчику расстояния HC–SR04.
Объясняется принцип его действия, технические характеристики, приведен пример его подключения к Arduino и программы для прошивки микроконтроллера.
Описание HC-SR04
Ультразвуковой датчик расстояния - модуль HC-SR04 использует акустическое излучение для определения расстояния до объекта. Этот бесконтактный датчик обеспечивает высокую точность и стабильность измерений. Диапазон измерений составляет: от 2 см до 400 см. На показания датчика практически не влияют солнечное излучение и электромагнитные шумы. Модуль продается в комплекте с трансмиттером и ресивером.
Технические характеристики HC-SR04
- Напряжение питания: +5В – постоянный ток;
- Сила тока покоя: < 2 мА;
- Рабочая сила тока: 15 мА;
- Эффективный рабочий угол: < 15°;
- Расстояние измерений: от 2 см до 400 см (1 – 13 дюймов);
- Разрешающая способность: 0.3 см;
- Угол измерений: 30 градусов;
- Ширина импульса триггера: 10 микросекунд;
- Размеры: 45 мм x 20 мм x 15 мм.
Общий вид датчика HC-SR04
- VCC: +5 вольт (постоянный ток)
- Trig: Триггер (INPUT)
- Echo: Эхо (OUTPUT)
- GND: Земля
Подключение датчика HC–SR04 к Arduino
В данном примере ультразвуковой датчик HC–SR04 определяет расстояние и выводит полученные значения в окно серийного монитора в среде Arduino IDE. Проект несложный.
Основная цель данного примера – помочь вам понять принцип действия датчика для дальнейшего использования в более комплексных проектах.
Небольшое примечание: в свободном доступе существует отличная библиотека NewPing , которая еще больше облегчает использование HC–SR04, пример ее использование тоже приведен ниже.
Схема подключения HC–SR04 к Arduino
Программа для Arduino
/*Ультразвуковой датчик расстояния и Arduino – полный гайд
Распиновка ультразвукового датчика расстояния:
Trig: Триггер (INPUT) – 11 пин
Echo: Эхо (OUTPUT) – 12 пин
int trigPin = 11; //Триггер – зеленый проводник
int echoPin = 12; //Эхо – желтый проводник
long duration, cm, inches;
//Serial Port begin
Serial.begin (9600);
//Инициализирум входы и выходы
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
// Датчик срабатывает и генерирует импульсы шириной 10 мкс или больше
// Генерируем короткий LOW импульс, чтобы обеспечить «чистый» импульс HIGH:
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
// Считываем данные с ультразвукового датчика: значение HIGH, которое
// зависит от длительности (в микросекундах) между отправкой
// акустической волны и ее обратном приеме на эхолокаторе.
pinMode(echoPin, INPUT);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
// преобразование времени в расстояние
cm = (duration/2) / 29.1;
inches = (duration/2) / 74;
Serial.print(inches);
Serial.print("in, ");
Serial.print(cm);
Serial.print("cm");
Serial.println();
#include
#define TRIGGER_PIN 12
#define ECHO_PIN 11
#define MAX_DISTANCE 200
Serial.begin(9600);
Serial.print(uS);
Serial.println(“cm”);
Использование библиотеки NewPing
Ниже приведен пример программы с использованием библиотеки NewPing.
#include
#define TRIGGER_PIN 12
#define ECHO_PIN 11
#define MAX_DISTANCE 200
NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); // Настройка пинов и максимального расстояния.
Serial.begin(9600);
unsigned int uS = sonar.ping_cm();
Serial.print(uS);
Serial.println(“cm”);
Необходимые уточнения
Если HC-SR04 не считывает сигнал эхо, выходной сигнал никогда не преобразуется в LOW. Датчики Devantec и Parallax обеспечивают время задержки 36 миллисекунд 28 миллисекунд соответственно. Если вы используете скетч, приведенный выше, программа «зависнет» на 1 секунду. Поэтому желательно указывать параметр задержки.
Датчик HC-SR04 плохо работает при измерении расстояний более 10 футов. Время возврата импульса составляет около 20 миллисекунд, так что рекомендуется в таких случаях выставлять время задержки более 20, напрмер, 25 или 30 миллисекунд.
Можно подключить ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 лишь к одному пину Arduino. Для этого необходимо между пинами Триггера и Эхо установить резистор на 2.2 кОм и подключить к Arduino только пин Триггера.
Подключение ультразвукового датчика расстояния к Arduino с использованием 1 пина!
Схема подключения и скетч для ультразвукового датчика расстояния SRF06 приведены ниже.
// Скетч с библиотекой NewPing, которая может использоваться и для датчика HC-SR04 и для
//приведенного здесь SRF06 и позволяет подключать ульразвуковые датчики
// с помощью одного пина на Arduino. Можно дополнительно подключить конденсатор на 0.1 мкФ к пинам Эхо и Триггер на датчике.
// К Arduino подключается пин Триггер
#include
#define PING_PIN 12 // Пин с Arduino подключен к пинам trigger и echo на ультразвуковом датчике расстояния
#define MAX_DISTANCE 200 // Максимальное расстояние, которое мы контролируем (в сантиметрах). Максимальное расстояние подобных датчиков находится в диапазоне 400-500см.
NewPing sonar(PING_PIN, PING_PIN, MAX_DISTANCE); // Настройка пинов и максимального расстояния
Serial.begin(115200); // Открытие серийного протокола с частотой передачи данных 115200 бит/сек.
delay(50); // Задержка в 50 миллисекунд между генерацией волн. 29 миллисекунд – минимально допустимая задержка.
unsigned int uS = sonar.ping(); // Генерация сигнала, получение времени в микросекундах (uS).
Serial.print("Ping: ");
Serial.print(uS / US_ROUNDTRIP_CM); // Преобразование времени в расстояние и отображение результата (0 соответствует выходу за допустимый диапазон)
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 |
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.Ультразвуковые датчики Simatic PXS работают только в воздушной среде и могут фиксировать все объекты, отражающие ультразвук.
Приборы циклически излучают ультразвуковые импульсы. При отражении импульсов от объекта возникающий эхо-сигнал принимается и преобразуется в электрический сигнал. Прием поступающего эхо-сигнала зависит от его интенсивности, которая, в свою очередь, определяется расстоянием от объекта до датчика.
Датчики Simatic PXS работают по принципу измерения времени прохождения отраженного сигнала, т. е. измеряется временной интервал между излученным и отраженным импульсами.
Разрешающая способность
Разрешающая способность - это то необходимое незначительное изменение расстояния до объекта, которое вызывает изменение на выходе датчика. Внутренняя разрешающая способность равна 256 или, соответственно, 4096 дискретам. Если при программировании задаются значения, выходящие за пределы этой разрешающей способности, программа автоматически вносит в них поправки. В окне последовательно показываются адаптированные значения с соответствующим указанием.
Пример:
Simatic PXS 3RG6014- (от 60 до 600 см)
При дальности действия от 60 до 600 см разрешающая способность получается равной 1,3 мм:
6000 мм - 600 мм = 5400 мм 5400 мм/4096 = 1,3 мм (12 бит)
При ограничении диапазона измерений размер дискреты уменьшается, поскольку уменьшается расстояние, которое разбивается на 4096 шагов. Однако электроника ограничивает шаг минимальной величиной 1 мм. Ограничение дальности действия дает большее разрешение.
Температурная компенсация
Для компенсации изменений расстояния срабатывания из-за колебаний температуры датчики Simatic PXS типоряда компактных моделей II, III и М 18, а также модульного типоряда II снабжены датчиками температуры и схемой компенсации.
Компенсация действует во всем диапазоне температур. За счет этого достигается абсолютная точность +/- 1,5 % (типоряд II и III) и, соответственно, +/- 2,5 % (типоряд М 18).
Датчики BERO с коммутирующим выходом
Датчики Simatic PXS с коммутирующим выходом, в зависимости от типа, могут использоваться в следующих режимах:
Только излучатель, только приемник
Для этого режима используются два датчика Simatic PXS. Один параметрируется как приемник, другой как излучатель. Имеются две возможности применения:
- УЗ-барьер однонаправленного действия:
Определяется только наличие объекта между датчиками. Дальность действия удваивается. В этом случае настройка коммутационной зоны и обработка сигнала аналогового выхода являются излишними.
- Активная измерительная система:
Измеряется время прохождения ультразвука от излучателя до приемника. Для этого деблокирующие входы обоих датчиков должны быть связаны друг с другом. Все возможности применения сохраняются; дальность действия удваивается.
Излучатель и приемник
Это нормальный режим работы датчика Simatic PXS; он работает как классический сенсорный выключатель.
- Датчик отражающего действия:
При датчике отражающего действия объект, который должен быть обнаружен, действует как отражатель. Когда объект находится в установленной коммутационной зоне, эхо от этого предмета вызывает срабатывание.
- Барьер отражающего действия:
При работе в качестве барьера отражающего действия против устанавливается фиксированный отражатель (например, маленькая металлическая пластинка). Коммутационная зона настраивается под этот отражатель. При пересечении объектом промежутка между Simatic PXS и отражателем датчик перестает «видеть» отражатель, что вызывает изменение сигнала на коммутирующем выходе.
Синхронизация
Несколько датчиков компактных типорядов II, III и М18 могут быть синхронизированы друг с другом путем соединения только их выходов синхронизации (контакт 2 при функции замыкающего контакта, контакт 4 при функции размыкающего контакта). Можно синхронизировать до 10 приборов (до 6 приборов компактной модели 0). Благодаря этому во многих случаях становится возможной установка датчиков очень близко друг к другу без их взаимного влияния.
Преимущества:
- Не требуется дополнительной электропроводки, необходимо только соединение деблокирующих выходов отдельных Simatic PXS.
- Быстрота реакции, поскольку каждый Simatic PXS постоянно активен.
Недостатки
- Объект нельзя присвоить определенному Simatic PXS.
Пример
Два датчика Simatic PXS смонтированы на расстоянии е, которое меньше минимального (см. инструкции по монтажу). Объект находится в их общей коммутационной зоне. Эхо от B2 может путем отражения попасть на B1 (GB). Поэтому может иметь место взаимное влияние. Объект захватывается обоими эхо E1 и E2 от датчиков Simatic PXS B1 и B2. Благодаря синхронизации можно добиться, чтобы оба прибора перестали влиять друг на друга, так, например, эхо E1 приходит на BERO B2 только после E2. Приборы всегда реагируют только на первое эхо.
Мультиплексная функция
Внешний мультиплексный режим
Четвертый контакт может использоваться в качестве внешнего деблокирующего входа. При этом датчики Simatic PXS могут активизироваться или деактивизироваться внешней системой управления без включения и отключения рабочего напряжения. Внешний мультиплексный режим может быть включен, если датчики Simatic PXS поочередно включаются и отключаются по деблокирующему входу. В этом случае отсутствие влияния датчиков Simatic PXS друг на друга всегда гарантировано. В отличие от внутреннего мультиплексного режима, здесь в мультиплексном режиме могут эксплуатироваться более 10 Simatic PXS.
Контакт деблокирующего входа:
- Simatic PXS активен, деблокирующий вход XI на L+ или открыт.
- Simatic PXS не активен, деблокирующий вход XI на DC от 0 до 3 В
Преимущества:
- Надежная защита от взаимного влияния.
- Объект можно присвоить определенному Simatic PXS.
Недостатки
- Дополнительное усложнение схемы (например, появление программируемого контроллера).
- Большее время реакции, чем в схеме с синхронизацией, поскольку каждый Simatic PXS активен лишь короткое время и затем должен ожидать, пока все другие Simatic PXS в системе выдадут излучение.
Пример: обнаружение узких объектов
Необходимо обнаруживать узкие объекты и определять, сколько их - два, один или ни одного.
В этом примере эхо GB может имитировать на датчике B1 наличие реального объекта. Здесь синхронизация помочь не может, так как эховый импульс Е2 приходит на B1 только после GB, a датчик всегда регистрирует только первое эхо. В этом примере необходимо, чтобы программируемый контроллер циклически включал и отключал оба датчика.
Внутренний мультиплексный режим
Датчики Simatic PXS компактных типорядов III, III и М 18 могут объединяться в группу. При этом последовательно и параллельно (см. "Синхронизация") можно включать до 10 приборов (до 6 приборов компактного типоряда 0). Для этого не нужно никакой дополнительной электроники. Следует только соединить вместе деблокирующие входы всех датчиков в группе. При программировании каждому прибору задается количество датчиков в группе, а также его позиция (адрес) в группе. После соединения и подключения напряжения питания датчики автоматически работают в мультиплексном режиме.
Программатор SONPROG
Программатор SONPROG 3RX4 000 используется для адаптации на месте рабочих параметров датчиков Simatic PXS компактных типорядов II, III и М 18 к местным условиям. Эта программа предоставляет интерфейс, с помощью которого можно:
- проверять параметры датчика Simatic PXS
- изменять параметры датчика Simatic PXS
- адаптировать датчик Simatic PXS к конкретному применению.
Благодаря этому становится возможным специально оптимизировать датчик Simatic PXS под определенное применение. Найденные настройки могут быть введены в память или распечатаны, что облегчает обслуживание и документирование системы. После замены датчика Simatic PXS новый датчик легко и быстро программируется по данным, сохраненным в памяти. Тем самым отпадает необходимость повторных настроек.
К важнейшим настраиваемым параметрам относятся:
- начало и конец коммутационной зоны
- гистерезис
- функция коммутационного элемента (замыкающий или размыкающий)
- частота коммутации
- начало и конец аналоговой характеристики (только компактные типоряды III и М 18)
- аналоговая характеристика нарастающая или падающая
- конец слепой зоны
- конец дальности действия
- формирование среднего значения
- затухание
Кроме того, может быть задана функция датчика:
- мультиплексная функция
- температурная компенсация
- функция кнопки или УЗ-барьера.
Благодаря специальным режимам работы датчики Simatic PXS лучше адаптируются к применениям, связанным с контролем уровней.
Подстройка с потенциометрами
Для выбора требуемых пределов диапазона срабатывания (мин. или макс.) используются потенциометры.
Сенсорные устройства, преобразующие электрический ток в волны ультразвука, называются ультразвуковые датчики. Их принцип действия аналогичен работе радара, они улавливают цель по отраженному сигналу. Скорость звука – величина постоянная. На основании этого таким датчиком вычисляется расстояние до некоторого объекта, соответствующее диапазону времени между выходом сигнала и его возвращением.
Устройство и принцип действия
Работают ультразвуковые датчики основываясь на взаимодействии колебаний ультразвука с измеряемым пространством. Ультразвуковые колебания – это механические колебания, которые совершаются с частотой выше 20000 герц, а значит, больше верхней границы колебаний звука, воспринимаемого человеком.
Распространение таких колебаний в газообразных, жидких и твердых средах зависит от параметров самой среды. Скорость передачи колебаний для газов равна 200-1300 метров в секунду, для твердых тел 1500-8000 м/с, для жидких веществ 1100-2000 м/с. Значительно зависит скорость колебаний от давления газа.
Коэффициенты отражения волн ультразвука отличаются на границах различных сред, так же как и их способность поглощения звука. Поэтому ультразвуковые датчики используют для получения информации о разных неэлектрических параметрах с помощью измерения свойств колебаний ультразвука: сдвига фаз, времени затухания, распространения колебаний.
Ультразвуковые способы измерения являются электрическими, так как возбуждение колебаний и их прием осуществляется с помощью электричества. Чаще всего в датчиках применяют пьезоэлементы, преобразователи магнитострикционного вида. Для возбуждения колебаний ультразвуковой частоты применяется эффект растяжения и сжатия пьезокристалла, называемый обратным пьезоэффектом. Поэтому пьезоэлемент применяется как в качестве приемника колебаний, так и в качестве излучателя.
Излучатели магнитострикционного вида применяют эффект деформации ферромагнитов в магнитном поле. Излучатель стержневого вида выполнен в виде тонких листов ферромагнетика, на котором намотана катушка возбуждения.
В магнитострикционных излучателях часто применяются сплавы никеля, ферриты. При нахождении ферромагнитного стержня в переменном магнитном поле, он будет разжиматься, и сжиматься с частотой поля. На рисунке показана зависимость изменения (относительного) длины стержня от напряженности поля Н. Так как направление поля не влияет на знак деформации, то частота деформации будет в 2 раза выше частоты возбуждающего поля.
Чтобы получить значительные механические деформации применяют подмагничивание стержня. Магнитострикционные излучатели действуют в условиях резонанса, если частота поля возбуждения совпадает с колебаниями стержня, определяемыми по формуле:
Где l — длина стержня, Е — модуль упругости, р - плотность.
В излучателе на основе пьезоэлемента применяется кварцевая пластина, к которой подключено переменное напряжение U х, образующее электрическое поле по оси Х.
Обратный эффект состоит в деформации пластины по оси Х. Относительное изменение размера пластины (толщины) равно:
Δa/a=kUx/a
Поперечный эффект состоит в деформации пластины по оси У. Относительное изменение толщины пластины равно:
Δl/l=kUx/a
Размеры пластины не влияют на величину продольной деформации. Поперечная деформация повышается с увеличением отношения l/а. При разности потенциалов до 2500 вольт имеется прямая зависимость деформации и напряжения. При высоких напряжениях деформация повышается не так интенсивно. Амплитуда колебаний доходит до наибольшего значения, когда частота напряжения и частота колебаний пластины совпадают.
Частота продольных колебаний вычисляется:
Модуль упругости определяется по оси Х. Модуль упругости по оси У влияет на частоту поперечных колебаний:
Если сравнить два рассмотренных типа излучателей, то можно сделать вывод, что пьезоэлектрические излучатели могут обеспечить большую частоту колебаний ультразвука.
Рассмотрим работу датчика по времени прохождения сигнала. Обработка отраженного сигнала осуществляется в той же точке, откуда и излучается. Такой метод является непосредственным обнаружением.
Рис 1
Ультразвуковые датчики в момент времени Т 0 излучают сигнал (некоторый набор импульсов) длительностью ∆t, распространяющийся в среде со звуковой скоростью С. При достижении объекта сигналом, часть его отражается и возвращается в приемник за время Т 1 . Схема электронного устройства, предназначенная для обработки сигнала, определяет расстояние, вычисляя время Т 1 — Т 0 .
Для определения расстояния может использоваться схема с одной или двумя головками датчика. В случае с двумя головками, одна из них излучает сигнал, а вторая принимает отраженный сигнал.
Ультразвуковые датчики с одной головкой
Эта схема обладает значительным недостатком, который заключается в том, что после выдачи сигнала необходимо время для успокоения мембраны для дальнейшей работы на прием отраженного сигнала. Этот период времени называют «мертвым» временем.
Мертвое время вынуждает ультразвуковые датчики работать в «слепой зоне». Другими словами, когда объект расположен очень близко, то отраженный сигнал возвращается в измерительную головку настолько быстро, что она еще не перестроилась на работу приема, вследствие чего объект не обнаруживается.
Рис 2
Продолжительность процессов перехода от излучателя до приемника зависит от различных факторов, которыми являются: особенности устройства датчика, материал изготовления, внутреннее затухание, общая колеблющаяся масса.
На рисунке 2 изображена схема функционирования датчика непосредственного обнаружения. С помощью импульса запуска схема возбуждения излучателя становится активной. Она формирует некоторый набор импульсов. Тем же импульсом запуска производится блокировка входа усилителя приемника. При отключении излучателя происходит разблокировка приемника.
Восстановление приемника происходит около 300 мкс. Это намного меньше времени успокоения излучателя. Вследствие этого параметры приемника не оказывают влияния на размер слепой зоны.
При нахождении объекта с необходимой способностью отражения в контролируемой зоне, отраженный сигнал возбуждает на мембране переменное напряжение высокой частоты, которое обрабатывается методами обнаружения сигналов аналогового типа: усиливается, ограничивается, приходит на компаратор.
Это напряжение превышает заданное значение порога обнаружения, что является сигналом того, что объект находится в контролируемой зоне. Схема электронного устройства фиксирует промежуток времени, который прошел с момента активации излучателя и создает на выходе электрический сигнал. Длина этого сигнала зависит от размера этого интервала времени, и передается на цифровой индикатор.
Схема управления после регистрации первого сигнала отражения задерживает создание следующего пускового импульса. При этом она ожидает вероятного прихода отраженного сигнала от наиболее удаленных объектов в контролируемой зоне.
Ультразвуковые датчики с двумя головками
Существенно сократить слепую зону можно путем использования двух разных головок датчика для приемника и излучателя. При этом необходимо создать наибольшую чувствительность схемы правильным выбором одинаковой частоты резонанса для приемника и излучателя.
Отслеживание порога
Размер слепой зоны является важным параметром ультразвукового датчика, который определяет его успех применяемости. Поэтому изготовители стараются снизить эту величину разными способами.
Для таких целей применяют метод отслеживания порога обнаружения. На малых расстояниях в течение процесса перехода сигнал успевает много раз пройти путь между объектом и сенсором. Точность обнаружения значительно уменьшается вследствие искажений, которые вносит сигнал с многократным отражением. Погрешность этого метода возрастает с приближением к объекту.
Это заставляет найти компромисс между точностью измерения, ложной тревоги и чувствительностью обнаружения. На рисунке 3 показан способ отслеживания порога обнаружения.
Рис 3
Он заключается в том, что напряжение порога детектора, которое подается на , создается напряжением, изменяемым во времени и копирующим форму «хвоста» набора импульсов, получаемых во время затухания колебаний мембраны.
Проблема заключается в том, что детектору неизвестно какой по счету из отраженных сигналов превзошел границу порога обнаружения. По рисунку видно, что второй из отраженных сигналов оказался зарегистрированным. Это привело к определению расстояния величиной, превышающей действительную величину в два раза. Такую ситуацию нельзя допускать, поэтому датчики подлежат настройке, во избежание попадания объектов в слепую зону.
Примерные свойства ультразвуковых датчиков в зависимости от расстояния приводятся в таблице
Использование способа отслеживания границы чувствительности дало возможность снизить слепую зону в два раза. Но для применения датчиков возле слепой зоны необходима тщательная проработка. Поэтому в свойствах датчика по расстоянию кроме интервала зондирования приведен интервал настройки.
Интервал зондирования – это интервал расстояния обнаружения, который определяется только возможностями датчика в виде направленности и мощности луча, а также свойствами объекта.
Интервал настройки – это интервал расстояний, в котором можно регулировать датчик по месту для его наилучшего применения в конкретном случае. При этом необходимо учитывать расположение объекта относительно датчика и его свойства.
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
