Подключение ультразвукового дальномера hc-sr04 к arduino

Скетч ультразвукового дальномера на arduino с помощью HC-SR04 и TM1637

// подключение индикатора TM1637
#include <TM1637.h>
#define CLK 3
#define DIO 2 
TM1637 tm1637(CLK,DIO);

// пины для HC-SR04
int echoPin = 12; 
int trigPin = 11; 

void setup() { 
  Serial.begin (9600); // для вывода в мониторе порта
  pinMode(trigPin, OUTPUT); // пин отправки сигнала
  pinMode(echoPin, INPUT);  // пин приема сигнала

  // инициализация индикатора
  tm1637.init();
  tm1637.set(BRIGHT_TYPICAL);
} 
 
void loop() { 
  int duration, mm; // переменные для хранения расстояния
  // останавливаем отправку сигнала
  digitalWrite(trigPin, LOW); 
  delayMicroseconds(2); 
  // отправляем ультрозвуковой сигнал
  digitalWrite(trigPin, HIGH); 
  // ждем 10 микроскунд
  delayMicroseconds(10); 
  // останавливаем отправку сигнала
  digitalWrite(trigPin, LOW); 
  // замеряет длину положительного импульса на пине echoPin
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH); 
  // высчитываем расстояние до препядствия
  mm = duration / 5.8;
  // вывод данных в монитор порта
  Serial.print(mm); 
  Serial.println(" mm"); 
  // вывод данных на индикатор
  tm1637.display( mm );
  delay(100);
}

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 Arduino HC-SR04

Ультразвуковой датчик (ещё его часто называют сонаром или ультразвуковым дальномером) определяет расстояние до объекта так же, как это делают летучие мыши или дельфины. Датчик HC-SR04 генерирует узконаправленный сигнал на частоте 40 кГц и ловит отраженный сигнал (эхо). По времени распространения звука до объекта и обратно можно достаточно точно определить расстояние до него.

По этому же принципу работает множество приборов для исследования пространства — эхолот, сонар, радиолокатор и даже полицейский радар для определения скорости автомобиля. Все эти приборы излучают узконаправленный ультразвуковой сигнал и получают обратно отраженный сигнал. В отличии от инфракрасных дальномеров (IR), на показания ультразвукового датчика (сонара) не влияет цвет объекта.

Принцип работы ультразвукового дальномера HC-SR04

Но при настройке ультразвукового датчика на Ардуино могут возникнуть трудности с определением расстояния до звукопоглощающих объектов, поскольку они способны полностью погасить излучаемый сигнал. Для идеальной точности измерения расстояния, поверхность изучаемого объекта должна быть ровной и гладкой. Принцип работы ультразвукового датчика hc-sr04 показан на рисунке выше.

Выбор дальномера для подключения к arduino

Для определения расстояния есть несколько способов – инфракрасный датчик приближения, лазерный дальномер и ультразвуковой дальномер. Возможно, есть еще какие-то варианты, но я их сходу не нашел. Поэтому выбирал из трех вариантов. Датчик приближения был сразу забракован, поскольку он не умеет измерять, а только настраивается на определение конкретных расстояний. Лазерный датчик умеет делать измерения и довольно точно, но стоит он не мало, из-за этого выбор был остановлен на ультразвуковом датчике, который стоит в 8-10 раз дешевле лазерного, а точность измерения отличается не на много.
Очевидно, что выбор пал на более дешевый датчик HC-SR04, который стоит 50 руб и способен измерять расстояние от 2 до 400 см с точностью до 3 мм, а эффективный угол наблюдения 15 градусов.

Подключение ультразвукового датчика к Ардуино

Схема подключения указана на рисунке ниже. Отметим, что ультразвуковой дальномер HC-SR04 имеет диапазон измерения от 2 см до 400 см, работает при температурах от 0° до 60° С. Точность измерения составляет ± 1 см, рабочее напряжение датчика до 5,5 В. Для начала мы используем простой скетч, без использования библиотеки Ultrasonic.

Для занятия нам понадобятся следующие детали:

• Плата Arduino Uno;
• Макетная плата;
• USB-кабель;
• УЗ дальномер HC-SR04;
• 1 светодиод;
• 1 резистор 220 Ом;
• Провода «папка-папка» и «папка-мамка».

После подключения к Arduino дальномера HC-SR04 загрузите следующий скетч:

// назначаем имя для Pin8
// назначаем имя для Pin9
// подключаем монитор порта
// назначаем trigPin (Pin8), как выход
// назначаем echoPin (Pin9), как вход
// назначаем переменную «cm» и «duration» для показаний датчика
// изначально датчик не посылает сигнал
// ставим задержку в 2 ммикросекунд
// посылаем сигнал
// ставим задержку в 10 микросекунд
// выключаем сигнал
// включаем прием сигнала
// вычисляем расстояние в сантиметрах
// ставим паузу в 1 секунду

Пояснения к коду:

1. Для подключения выходов Trig и Echo на датчике можно использовать любые цифровые входы на Ардуино;
2. Команда delayMicroseconds() останавливает выполнение программы на заданное количество микросекунд (в 1 секунде 1 000 000 микросекунд).

На что обратить внимание:

1. Чтобы получить значение датчика в миллиметрах следует использовать следующую формулу для расчета: cm = duration / 5,8; .

1. Выведите на монитор порта расстояние до объекта в метрах.

Как подключить ультразвуковой датчик к Ардуино

Для этого занятия потребуется:

• Arduino Uno / Arduino Nano / Arduino Mega;
• макетная плата;
• УЗ дальномер HC-SR04;
• 1 светодиод и резистор 220 Ом;
• провода «папа-папа» и «папа-мама».

Схема подключения ультразвукового датчика к Arduino Uno

Схема подключения указана на рисунке выше. Отметим, что ультразвуковой дальномер HC-SR04 имеет диапазон измерения от 2 см до 400 см, работает при температурах от 0° до 60° С. Точность измерения составляет ± 1 см, рабочее напряжение датчика до 5,5 В. Для начала мы используем простой скетч, без использования библиотеки Ultrasonic. После подключения к Arduino дальномера HC-SR04 загрузите следующий скетч:

Скетч для подключения датчика hc-sr04 к Arduino

int trigPin = 8; // назначаем имя для Pin8
int echoPin = 9; // назначаем имя для Pin9
 
void setup() { 
  Serial.begin (9600); // подключаем монитор порта
  pinMode(trigPin, OUTPUT); // назначаем trigPin (Pin8), как выход
  pinMode(echoPin, INPUT); // назначаем echoPin (Pin9), как вход
} 
 
void loop() { 
  int duration, cm; // назначаем переменную "cm" и "duration" для показаний датчика
  digitalWrite(trigPin, LOW); // изначально датчик не посылает сигнал
  delayMicroseconds(2); // ставим задержку в 2 ммикросекунд

  digitalWrite(trigPin, HIGH); // посылаем сигнал
  delayMicroseconds(10); // ставим задержку в 10 микросекунд
  digitalWrite(trigPin, LOW); // выключаем сигнал

  duration = pulseIn(echoPin, HIGH); // включаем прием сигнала

  cm = duration / 58; // вычисляем расстояние в сантиметрах

  Serial.print(cm); // выводим расстояние в сантиметрах
  Serial.println(" cm");

  delay(1000); // ставим паузу в 1 секунду
}

Пояснения к коду:

1. для подключения выходов Trig и Echo на датчике сонара Ардуино можно использовать любые цифровые входы на микроконтроллере;
2. чтобы получить значение датчика в миллиметрах следует использовать следующую формулу для расчета: .

Программирование ультразвукового датчика HC-SR04

#define

Trig 8 /* Обозначаем пин подачи импульса*/

#define

Echo 9 /* Обозначаем пин приема импульса*/

void

setup() {

pinMode

(Trig, OUTPUT); /*инициируем как выход */

pinMode

(Echo, INPUT); /*инициируем как вход */

Serial.begin

(9600); /* устанавливаем скорость порта */

}

unsigned int

impulseTime=0;

unsigned int

distance_sm=0;

void

loop() {

digitalWrite

(Trig, HIGH);
/* Подаем импульс на вход trig дальномера */

delayMicroseconds

(10); /* Импульс длится 10 микросекунд */

digitalWrite

(Trig, LOW); // Отключаем подачу импульса

impulseTime=pulseIn

(Echo, HIGH);
/*Принимаем импульс и подсчитываем его длину*/

distance_sm

=impulseTime/58; /* Пересчитываем его значение в сантиметры */

Serial.println(
distance_sm); /* Выводим значение на порт программы */

delay

(200);

}

После того как вы вставили этот код, загрузите его в программу и включите «монитор порта».
Там вы увидите расстояние от датчика до препятствия, поэкспериментируйте с изменением расстояния объекта.

Вот что должно у вас получиться!

Надеюсь у вас все получилось! Если у вас остались вопросы,
можете написать нам в

На фотографии не видно, но выходы Trig
и Echo
подключены ко 2 и 3 выходу Arduino соответственно. Ну а VCC
и GND
— 5v и земля.

После успешного подключения можно быстро набросать код, который будет высчитывать расстояние в сантиметрах. Код прокомментирован, так что вопросов быть не должно.

// задаем пины
int echoPin = 2;
int trigPin = 3;
void setup() {
Serial.begin(9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
// отключаем подачу импульса
digitalWrite(trigPin, LOW);
}
void loop() {
int duration, cm;
// подаем импульс
digitalWrite(trigPin, HIGH);
// ждем 10 микросекунд
delayMicroseconds(10);
// отключаем подачу импульса
digitalWrite(trigPin, LOW);
// считываем длину сигнала
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
// пересчитываем в сантиметры
Serial.print(duration / 58);
Serial.println(» cm»);
// ждем пол секунды до следующего измерения
delay(500);
}

Подключается по данной схеме

Если запустить его и периодически подносить к нему руку, то в консоли можно увидеть следующие измерения:

Если вам вдруг понадобятся миллиметры или дюймы, то это можно легко исправить, переписав в коде пару строк примерно на следующие:

Но у нас получается слишком много кода, а если нам потребуется подключить 2 таких дальномера? А если 10? В таком случае разработка превратится в рутину, а в случае какой-то ошибки придется менять все сразу.

Именно здесь нам на помощь приходит библиотека Ultrasonic .

Используя ее, весь прошлый код можно написать следующим образом: