Подключение датчика расстояния к ардуино уно

Ультразвуковой дальномер HC-SR04: подключение, схема и примеры работы

Ультразвуковой дальномер рассчитан на определение расстояния до объектов в радиусе четырёх метров.

Работа модуля основана на принципе эхолокации. Модуль посылает ультразвуковой сигнал и принимает его отражение от объекта. Измерив время между отправкой и получением импульса, не сложно вычислить расстояние до препятствия.

Подключение ультразвукового дальномера к Arduino

Модуль подключается четырьмя проводами. Контакты VCC и GND служат для подключения питания, а Trig и Echo — для отправки и приема сигналов дальномера. Подключим их к пинам 10 и 11 соответственно.

Напряжение питания дальномера 5 В. Модуль работает и с платами, напряжение которых 3,3 В — в этом случае подключайте его к пинам группы с P8 по P13. Установите джампер выбора питания V2 на Troyka Shield в положение V2+5V. Пин микроконтроллера, соединённый с пином Echo должен быть толерантен к 5 В. Приведённая схема подходит для подключения дальномера к Iskra JS.

Пример работы

Рассмотрим как работает дальномер.

Зная продолжительность высокого сигнала на пине Echo можем вычислить расстояние, умножив время, которое потратил звуковой импульс, прежде чем вернулся к модулю, на скорость распространения звука в воздухе (340 м/с).

Функция pulseIn позволяет узнать длительность импульса в μs . Запишем результат работы этой функции в переменную duration.

Теперь вычислим расстояние переведя скорость из м/с в см/мкс:

distance = duration * 340 м/с = duration * 0.034 м/мкс

Преобразуем десятичную дробь в обыкновенную

distance = duration * 1/29 = duration / 29

Принимая во внимание то, что звук преодолел расстояние до объекта и обратно, поделим полученный результат на 2

distance = duration / 58

Оформим в код всё вышесказанное и выведем результат в Serial Monitor

Работа с библиотекой

Количество строк кода можно существенно уменьшить, используя библиотеку для работы с дальномером.

Источник

Ардуино: ультразвуковой дальномер HC-SR04

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.

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:

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.

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. Вот одна из версий:

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

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.

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 cм/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.

  1. 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.
  2. 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.

Источник

Arduino и датчик расстояния HC-SR04

Описание

HC-SR04 – ультразвуковой датчик расстояния. Характеристики:

  • Питание: 5V
  • Рабочий ток: 15 мА
  • Звуковая частота: 40 кГц
  • Угол измерения: 15 градусов
  • Диапазон измерения: 2 см.. 4 м
  • Точность:

1 мм при грамотной фильтрации

Датчик работает довольно интересно: подаём импульс с продолжительностью 10 мкс на пин Trig, модуль посылает ультразвуковой импульс, он отражается от препятствия и детектируется. Затем с пина Echo возвращается импульс по продолжительности соответствующий времени путешествия звуковой волны. Ардуина этот импульс должна измерить.

Подключение

Подключаем к питанию и любым цифровым пинам:

Библиотеки

С датчиком можно работать без библиотек, стандартными средствами Arduino. Но есть и библиотеки:

  • HC-SR04 – можно установить по названию HC-SR04 из менеджера библиотек (автор Dirk Sarodnick)
  • NewPing – можно установить по названию NewPing из менеджера библиотек

Примеры

Небольшой момент: чтобы датчик не ловил “эхо” от самого себя – его не рекомендуется опрашивать чаще 30 мс!

Для опроса используем встроенные Arduino-функции

Подвигаю рукой перед датчиком:

Отфильтруем данные при помощи простейшего экспоненциального фильтра

Данная библиотека умеет выдавать результат только в целых сантиметрах

Кстати, опрос датчика при помощи pulseIn() , не так плох, как про него пишут на форумах: погрешность измерения составляет всего 0.5 мкс:

что в пересчёте на расстояние даёт точность 0.17 мм! На деле точность получается в два раза выше, так как фактически мы измеряем сигнал два раза (путь до препятствия и обратно). Сам датчик шумит гораздо сильнее, поэтому миллиметровую точность получить абсолютно не проблема. Но есть проблема в другом: выполнение кода блокируется на время измерения, например на трёх метрах это будет 17 мс. Вроде и немного, но для некоторых задач это будет весьма критично.

Ещё один момент: скорость звука зависит от температуры: при +20°С это 343 м/с, а при -20°С – 318 м/с! А ведь это целых 318/343=7%, что на расстоянии в 1 метр даст погрешность 7 сантиметров. Много, гораздо больше возможных погрешностей в измерении. Давайте это исправим.

В диапазоне -50.. 50°С зависимость является линейной и аппроксимируется уравнением V = 0.609 * t + 330.75 :

Таким образом для нахождения более точного расстояния с поправкой на температуру достаточно делить время импульса не на 58, а на.. кстати, откуда берётся 58? Для прохождения 1 м звуку понадобится 1 / 343 = 0.0029 с, или 2.915 мс. Мы получаем время туда и обратно, поэтому умножаем ещё на 2. В и для сантиметров – ещё на 10, и получаем 58.3. Гораздо понятнее было бы умножать время импульса на скорость звука и делить пополам.

Таким образом для расчёта расстояния в миллиметрах с учётом температуры в °С получим формулу:

Настолько высокая точность нам не нужна, поэтому можно избавиться от float , чтобы код весил меньше (третье уравнение). Погрешность составит не более 1 мм на 1 метр. И финальный пример тогда (подставим в первую программу):

Источник

Урок №14. 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.

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 -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».

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.

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 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.

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.

Источник

Adblock
detector