Датчик расстояния Ардуино HC SR04

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.

Датчик расстояния в проектах Arduino

Принцип работы ультразвуковых датчиков

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 HC SR04Датчик 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 расстояния Ардуино HC SR04

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».

 

Схема взаимодействия Arduino с HC SR04

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.

Датчик расстояния Ардуино HC SR04

Подключение HC SR04 к Arduino

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

Подключение датчика расстояния HC-SR04

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:

Подключение датчика HC-SR04 к плате ардуино

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 здесь

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.Диаграмма направленности HC-SR04

Для уменьшения ошибок и погрешности измерений обычно выполняются следующие действия:

  • усредняются значения (несколько раз замеряем, убираем всплески, потом находим среднее);
  • с помощью датчиков (например, DHT11 или DHT22) 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 <NewPing.h>

#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 <NewPing.h>

#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.

ПОДЕЛИТЬСЯ

ОСТАВЬТЕ ОТВЕТ

Please enter your comment!
Please enter your name here