Схема подключения ультразвукового датчика. HC-SR04 Ультразвуковой модуль измерения расстояния

Результат работы обоих примеров:

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

Ультразвуковые датчики расстояния Ардуино очень востребованы в робототехнических проектах из-за своей относительной простоты, достаточной точности и доступности. Они могут быть использованы как приборы, помогающие объезжать препятствия, получать размеры предметов, моделировать карту помещения и сигнализировать о приближении или удалении объектов. Одним из распространенных вариантов такого устройства является датчик расстояния, в конструкцию которого входит ультразвуковой дальномер HC SR04. В этой статье мы познакомимся с принципом действия датчика расстояния, рассмотрим несколько вариантов подключения к платам Arduino, схему взаимодействия и примеры скетчей.

Способность ультразвукового датчика определять расстояние до объекта основано на принципе сонара – посылая пучок ультразвука, и получая его отражение с задержкой, устройство определяет наличие объектов и расстояние до них. Ультразвуковые сигналы, генерируемые приемником, отражаясь от препятствия, возвращаются к нему через определенный промежуток времени. Именно этот временной интервал становится характеристикой помогающей определить расстояние до объекта.

Внимание! Так как в основу принципа действия положен ультразвук, то такой датчик не подходит для определения расстояния до звукопоглощающих объектов. Оптимальными для измерения являются предметы с ровной гладкой поверхностью.

Описание датчика HC SR04

Датчик расстояния Ардуино является прибором бесконтактного типа, и обеспечивает высокоточное измерение и стабильность. Диапазон дальности его измерения составляет от 2 до 400 см. На его работу не оказывает существенного воздействия электромагнитные излучения и солнечная энергия. В комплект модуля с HC SR04 arduino также входят ресивер и трансмиттер.

Ультразвуковой дальномер HC SR04 имеет такие технические параметры:

• Питающее напряжение 5В;
• Рабочий параметр силы т ока – 15 мА;
• Сила тока в пассивном состоянии < 2 мА;
• Обзорный угол – 15°;
• Сенсорное разрешение – 0,3 см;
• Измерительный угол – 30°;
• Ширина импульса – 10 -6 с.

Датчик оснащен четырьмя выводами (стандарт 2, 54 мм):

• Контакт питания положительного типа – +5В;
• Trig (Т) – выход сигнала входа;
• Echo (R) – вывод сигнала выхода;
• GND – вывод «Земля».

Где купить модуль SR04 для Ардуино

Датчик расстояния – достаточно распространенный компонент и его без труда можно найти в интернет-магазинах. Самые дешевые варианты (от 40-60 рублей за штуку), традиционно на всем известном сайте.

Модуль датчика расстояния HC-SR04 для Ардуино	Еще один вариант ультразвукового сенсора HC-SR04 у надежного поставщика
Датчики расстояния SR05 Ultrasonic HC-SR05 (улучшенные характеристики)	Модуль HC-SR05 HY-SRF05 для UNO R3 MEGA2560 DUE от надежного поставщика

Схема взаимодействия с Arduino

Для получения данных, необходимо выполнить такую последовательность действий:

• Подать на выход Trig импульс длительностью 10 микросек;
• В ультразвуковом дальномере hc sr04 подключенном к arduino произойдет преобразование сигнала в 8 импульсов с частотой 40 кГц, которые через излучатель будут посланы вперед;
• Когда импульсы дойдут до препятствия, они отразятся от него и будут приняты приемником R, что обеспечит наличие входного сигнала на выходе Echo;
• На стороне контроллера полученный сигнал при помощи формул следует перевести в расстояние.

При делении ширины импульса на 58.2, получим данные в сантиметрах, при делении на 148 – в дюймах.

Подключение HC SR04 к Arduino

Выполнить подключение ультразвукового датчика расстояния к плате Arduino достаточно просто. Схема подключения показана на рисунке.

Контакт земли подключаем к выводу GND на плате Arduino, выход питания соединяем с 5V. Выходы Trig и Echo подсоединяем к arduino на цифровые пины. Вариант подключения с помощью макетной платы:

Библиотека для работы с HC SR04

Для облегчения работы с датчиком расстояния HC SR04 на arduino можно использовать библиотеку NewPing. Она не имеет проблем с пинговыми доступами и добавляет некоторые новые функции.

К особенностям библиотеки можно отнести:

• Возможность работы с различными ультразвуковыми датчиками;
• Может работать с датчиком расстояния всего через один пин;
• Отсутствие отставания на 1 секунду при отсутствии пинга эха;
• Для простой коррекции ошибок есть встроенный цифровой фильтр;
• Максимально точный расчет расстояния.

Скачать бибилотеку NewPing можно

Точность измерения расстояния датчиком HC SR04

Точность датчика зависит от нескольких факторов:

• температуры и влажности воздуха;
• расстояния до объекта;
• расположения относительно датчика (согласно диаграммы излучения);
• качества исполнения элементов модуля датчика.

В основу принципа действия любого ультразвукового датчика заложено явление отражения акустических волн, распространяющихся в воздухе. Но как известно из курса физики, скорость распространения звука в воздухе зависит от свойств этого самого воздуха (в первую очередь от температуры). Датчик же, испуская волны и замеряя время до их возврата, не догадывается, в какой именно среде они будут распространяться и берет для расчетов некоторую среднюю величину. В реальных условиях из-за фактора температуры воздуха HC-SR04 может ошибаться от 1 до 3-5 см.

Фактор расстояния до объекта важен, т.к. растет вероятность отражения от соседних предметов, к тому же и сам сигнал затухает с расстоянием.

Также для повышения точности надо правильно направить датчик: сделать так, чтобы предмет был в рамках конуса диаграммы направленности. Проще говоря, “глазки” HC-SR04 должны смотреть прямо на предмет.

Для уменьшения ошибок и погрешности измерений обычно выполняются следующие действия:

• усредняются значения (несколько раз замеряем, убираем всплески, потом находим среднее);
• с помощью датчиков (например, ) определяется температура и вносятся поправочные коэффициенты;
• датчик устанавливается на серводвигатель, с помощью которого мы “поворачиваем голову”, перемещая диаграмму направленности влево или вправо.

Примеры использования датчика расстояния

Давайте рассмотрим пример простого проекта с платой Arduino Uno и датчиком расстояния HC SR04. В скетче мы будем получать значение расстояния до предметов и выводить их в монитор порта в среде Arduino IDE. Вы сможете легко изменить скетч и схему подключения, чтобы датчик сигнализировал о приближении или отдалении предмета.

Подключение датчика к ардуино

При написании скетча использовалась следующий вариант распиновки подключения датчика:

• VCC: +5V
• Trig – 12 пин
• Echo – 11 пин
• Земля (GND) – Земля (GND)

Пример скетча

Начнем работу с датчиком сразу с относительного сложного варианта – без использования внешних библиотек.

В данном скетче мы выполняем такую последовательность действий:

• Коротким импульсом (2-5 микросекунды) переводим датчик расстояния в режим эхолокации, при котором в окружающее пространство высылаются ультразвуковые волны с частотой 40 КГц.
• Ждем, пока датчик проанализирует отраженные сигналы и по задержке определит расстояние.
• Получаем значение расстояния. Для этого ждем, пока HC SR04 выдаст на входе ECHO импульс, пропорциональный расстоянию. Мы определяем длительность импульса с помощью функции pulseIn, которая вернет нам время, прошедшее до изменения уровня сигнала (в нашем случае, до появления обратного фронта импульса).
• Получив время, мы переводим его в расстояние в сантиметрах путем деления значения на константу (для датчика SR04 это 29.1 для сигнала «туда», столько же для сигнала «обратно», что в сумме даст 58.2).

Если датчик расстояния не выполняет считывание сигнала, то преобразование выходного сигнала никогда не примет значения короткого импульса – LOW. Так как у некоторых датчиков время задержки варьируется в зависимости от производителя, рекомендуется при использовании указанных скетчей выставлять его значение вручную (мы это делаем в начале цикла).

Если расстояние составляет более 3 метров, при котором HC SR04 начинает плохо работать, время задержки лучше выставлять более 20 мс, т.е. 25 или 30 мс.

#define PIN_TRIG 12 #define PIN_ECHO 11 long duration, cm; void setup() { // Инициализируем взаимодействие по последовательному порту Serial.begin (9600); //Определяем вводы и выводы pinMode(PIN_TRIG, OUTPUT); pinMode(PIN_ECHO, INPUT); } void loop() { // Сначала генерируем короткий импульс длительностью 2-5 микросекунд. digitalWrite(PIN_TRIG, LOW); delayMicroseconds(5); digitalWrite(PIN_TRIG, HIGH); // Выставив высокий уровень сигнала, ждем около 10 микросекунд. В этот момент датчик будет посылать сигналы с частотой 40 КГц. delayMicroseconds(10); digitalWrite(PIN_TRIG, LOW); // Время задержки акустического сигнала на эхолокаторе. duration = pulseIn(PIN_ECHO, HIGH); // Теперь осталось преобразовать время в расстояние cm = (duration / 2) / 29.1; Serial.print("Расстояние до объекта: "); Serial.print(cm); Serial.println(" см."); // Задержка между измерениями для корректной работы скеча delay(250); }

Скетч с использованием библиотеки NewPing

Теперь давайте рассмотрим вариант скетча с использованием библиотеки NewPing. Код существенно упростится, т.к. все описанные ранее действия спрятаны внутри библиотеки. Все, что нам нужно сделать – создать объект класса NewPing, указав пины, с помощью которых мы подключаем датчик расстояния и использовать методы объекта. В нашем примере для получения расстояния в сантиметрах нужно использовать ping_cm().

#include #define PIN_TRIG 12 #define PIN_ECHO 11 #define MAX_DISTANCE 200 // Константа для определения максимального расстояния, которое мы будем считать корректным. // Создаем объект, методами которого будем затем пользоваться для получения расстояния. // В качестве параметров передаем номера пинов, к которым подключены выходы ECHO и TRIG датчика NewPing sonar(PIN_TRIG, PIN_ECHO, MAX_DISTANCE); void setup() { // Инициализируем взаимодействие по последовательному порту на скорости 9600 Serial.begin(9600); } void loop() { // Стартовая задержка, необходимая для корректной работы. delay(50); // Получаем значение от датчика расстояния и сохраняем его в переменную unsigned int distance = sonar.ping_cm(); // Печатаем расстояние в мониторе порта Serial.print(distance); Serial.println("см"); }

Пример подключения ультразвукового дальномера HC SR04 с одним пином

Подключение HC-SR04 к Arduino может быть выполнено посредством использования одного пина. Такой вариант пригодится, если вы работаете с большим проектом и вам не хватает свободных пинов. Для подключения вам нужно просто установить между контактами TRIGи ECHO резистор номиналом 2.2K и подключить к ардуино контакт TRIG.

#include #define PIN_PING 12 // Пин с Arduino соединен с пинами trigger и echo на датчике расстояния #define MAX_DISTANCE 200 // Максимальное расстояние, которое мы способны контролировать (400-500см). NewPing sonar(PIN_PING, PIN_PING, MAX_DISTANCE); // Регулировка пинов и максимального расстояния void setup() { Serial.begin(9600); // Открывается протокол с данными и частотой передачи 115200 бит/сек. } void loop() { delay(50); // Задержка в 50 мс между генерируемыми волнами. 29 мс – минимально допустимое значение unsigned int distanceSm = sonar.ping(); // Создание сигнала, получение параметра его продолжительности в мкс (uS). Serial.print("Ping: "); Serial.print(distanceSm / US_ROUNDTRIP_CM); // Пересчет параметра времени в величину расстояния и вывод результата (0 соответствует выходу за допустимый предел) Serial.println("cm"); }

Краткие выводы

Ультразвуковые датчики расстояния достаточно универсальны и точны, что позволяет их использовать для большинства любительских проектов. В статье рассмотрен крайне популярный датчик HC SR04, который легко подключается к плате ардуино (для этого следует сразу предусмотреть два свободных пина, но есть вариант подключения и с одним пином). Для работы с датчиком существуют несколько бесплатных библиотек (в статье рассмотрена лишь одна из них, NewPing), но можно обойтись и без них – алгоритм взаимодействия с внутренним контроллером датчика достаточно прост, мы показали его в этой статье.

Исходя из собственного опыта, можно утверждать, что датчик HC-SR04 показывает точность в пределах одного сантиметра на расстояниях от 10 см до 2 м. На более коротких и дальних дистанциях возможно появление сильных помех, что сильно зависит от окружающих предметов и способа использования. Но в большинстве случаев HC-SR04 отлично справлялся со своей работой.

Здесь же я отдельно вынес такой важный практический вопрос, как подключение индуктивных датчиков с транзисторным выходом, которые в современном промышленном оборудовании – повсеместно. Кроме того, приведены реальные инструкции к датчикам и ссылки на примеры.

Принцип активации (работы) датчиков при этом может быть любым – индуктивные (приближения), оптические (фотоэлектрические), и т.д.

В первой части были описаны возможные варианты выходов датчиков. По подключению датчиков с контактами (релейный выход) проблем возникнуть не должно. А по транзисторным и с подключением к контроллеру не всё так просто.

Схемы подключения датчиков PNP и NPN

Отличие PNP и NPN датчиков в том, что они коммутируют разные полюсы источника питания. PNP (от слова “Positive”) коммутирует положительный выход источника питания, NPN – отрицательный.

Ниже для примера даны схемы подключения датчиков с транзисторным выходом. Нагрузка – как правило, это вход контроллера.

Датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “минусу” (0V), подача дискретной “1” (+V) коммутируется транзистором. НО или НЗ датчик – зависит от схемы управления (Main circuit)

Датчика. Нагрузка (Load) постоянно подключена к “плюсу” (+V). Здесь активный уровень (дискретный “1”) на выходе датчика – низкий (0V), при этом на нагрузку подается питание через открывшийся транзистор.

Призываю всех не путаться, работа этих схем будет подробно расписана далее.

На схемах ниже показано в принципе то же самое. Акцент уделён на отличия в схемах PNP и NPN выходов.

Схемы подключения NPN и PNP выходов датчиков

На левом рисунке – датчик с выходным транзистором NPN . Коммутируется общий провод, который в данном случае – отрицательный провод источника питания.

Справа – случай с транзистором PNP на выходе. Этот случай – наиболее частый, так как в современной электронике принято отрицательный провод источника питания делать общим, а входы контроллеров и других регистрирующих устройств активировать положительным потенциалом.

Как проверить индуктивный датчик?

Для этого нужно подать на него питание, то есть подключить его в схему. Затем – активировать (инициировать) его. При активации будет загораться индикатор. Но индикация не гарантирует правильной работы индуктивного датчика. Нужно подключить нагрузку, и измерить напряжение на ней, чтобы быть уверенным на 100%.

Замена датчиков

Как я уже писал, есть принципиально 4 вида датчиков с транзисторным выходом, которые подразделяются по внутреннему устройству и схеме включения:

• PNP NO
• PNP NC
• NPN NO
• NPN NC

Все эти типы датчиков можно заменить друг на друга, т.е. они взаимозаменяемы.

Это реализуется такими способами:

• Переделка устройства инициации – механически меняется конструкция.
• Изменение имеющейся схемы включения датчика.
• Переключение типа выхода датчика (если имеются такие переключатели на корпусе датчика).
• Перепрограммирование программы – изменение активного уровня данного входа, изменение алгоритма программы.

Ниже приведён пример, как можно заменить датчик PNP на NPN, изменив схему подключения:

PNP-NPN схемы взаимозаменяемости. Слева – исходная схема, справа – переделанная.

Понять работу этих схем поможет осознание того факта, что транзистор – это ключевой элемент, который можно представить обычными контактами реле (примеры – ниже, в обозначениях).

А что там свежего в группе ВК СамЭлектрик.ру ?

Подписывайся, и читай статью дальше:

Итак, схема слева. Предположим, что тип датчика – НО. Тогда (независимо от типа транзистора на выходе), когда датчик не активен, его выходные “контакты” разомкнуты, и ток через них не протекает. Когда датчик активен, контакты замкнуты, со всеми вытекающими последствиями. Точнее, с протекающим током через эти контакты)). Протекающий ток создает падение напряжения на нагрузке.

Внутренняя нагрузка показана пунктиром неспроста. Этот резистор существует, но его наличие не гарантирует стабильную работу датчика, датчик должен быть подключен к входу контроллера или другой нагрузке. Сопротивление этого входа и является основной нагрузкой.

Если внутренней нагрузки в датчике нет, и коллектор “висит в воздухе”, то это называют “схема с открытым коллектором”. Эта схема работает ТОЛЬКО с подключенной нагрузкой.

Так вот, в схеме с PNP выходом при активации напряжение (+V) через открытый транзистор поступает на вход контроллера, и он активизируется. Как того же добиться с выходом NPN?

Бывают ситуации, когда нужного датчика нет под рукой, а станок должен работать “прям щас”.

Смотрим на изменения в схеме справа. Прежде всего, обеспечен режим работы выходного транзистора датчика. Для этого в схему добавлен дополнительный резистор, его сопротивление обычно порядка 5,1 – 10 кОм. Теперь, когда датчик не активен, через дополнительный резистор напряжение (+V) поступает на вход контроллера, и вход контроллера активизируется. Когда датчик активен – на входе контроллера дискретный “0”, поскольку вход контроллера шунтируется открытым NPN транзистором, и почти весь ток дополнительного резистора проходит через этот транзистор.

В данном случае происходит перефазировка работы датчика. Зато датчик работает в режиме, и контроллер получает информацию. В большинстве случаев этого достаточно. Например, в режиме подсчета импульсов – тахометр, или количество заготовок.

Да, не совсем то, что мы хотели, и схемы взаимозаменяемости npn и pnp датчиков не всегда приемлемы.

Как добиться полного функционала? Способ 1 – механически сдвинуть либо переделать металлическую пластинку (активатор). Либо световой промежуток, если речь идёт об оптическом датчике. Способ 2 – перепрограммировать вход контроллера чтобы дискретный “0” был активным состоянием контроллера, а “1” – пассивным. Если под рукой есть ноутбук, то второй способ и быстрее, и проще.

Условное обозначение датчика приближения

На принципиальных схемах индуктивные датчики (датчики приближения) обозначают по разному. Но главное – присутствует квадрат, повёрнутый на 45° и две вертикальные линии в нём. Как на схемах, изображённых ниже.

НО НЗ датчики. Принципиальные схемы.

На верхней схеме – нормально открытый (НО) контакт (условно обозначен PNP транзистор). Вторая схема – нормально закрытый, и третья схема – оба контакта в одном корпусе.

Цветовая маркировка выводов датчиков

Существует стандартная система маркировки датчиков. Все производители в настоящее время придерживаются её.

Однако, нелишне перед монтажом убедиться в правильности подключения, обратившись к руководству (инструкции) по подключению. Кроме того, как правило, цвета проводов указаны на самом датчике, если позволяет его размер.

Вот эта маркировка.

• Синий (Blue) – Минус питания
• Коричневый (Brown) – Плюс
• Чёрный (Black) – Выход
• Белый (White) – второй выход, или вход управления, надо смотреть инструкцию.

Система обозначений индуктивных датчиков

Тип датчика обозначается цифро-буквенным кодом, в котором зашифрованы основные параметры датчика. Ниже приведена система маркировки популярных датчиков Autonics. / Каталог датчиков приближения Omron, pdf, 1.14 MB, скачан:1282 раз./

/ Чем можно заменить датчики ТЕКО, pdf, 179.92 kB, скачан:1032 раз./

/ Датчики фирмы Turck, pdf, 4.13 MB, скачан:1362 раз./

/ Схема включения датчиков по схемам PNP и NPN в программе Splan/ Исходный файл., rar, 2.18 kB, скачан:2216 раз./

Реальные датчики

Датчики купить проблематично, товар специфический, и в магазинах электрики такие не продают. Как вариант, их можно купить в Китае, на АлиЭкспрессе.

А вот какие я встречаю в своей работе.

Всем спасибо за внимание, жду вопросов по подключению датчиков в комментариях!