через какой интерфейс подключается датчик расстояния sonar hc 49
Как подключить ультразвуковой датчик к Ардуино
Ультразвуковой датчик расстояния Ардуино HC-SR04 рассмотрим на этом занятии. Расскажем, как подключить ультразвуковой дальномер HC-SR04. Разберем скетч для датчика, который может прекрасно служить для робота при определении расстояния до объектов или обнаружения препятствия. Также рассмотрим самую популярную библиотеку для ультразвуковых дальномеров на Arduino — Ultrasonic.h.
Ультразвуковой дальномер HC-SR04 Arduino
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.
Как подключить ультразвуковой датчик к Ардуино
Для этого занятия нам потребуется:
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
Пояснения к коду:
Ультразвуковой датчик и светодиод Ардуино
Представленный скетч работает без библиотеки, поэтому в коде многовато строчек. Мы воспользуемся библиотекой для ультразвуковых дальномеров, что позволит нам значительно упростить скетч. Для начала установите библиотеку Ultrasonic (инструкция по установке библиотек в Arduino IDE) и загрузите следующую программу в Ардуино. Ссылка на скачивание архива со скетчами и библиотекой Ultrasonic.h — здесь.
Подключите дополнительно к плате RGB светодиод или несколько светодиодов, для создания мини проекта. Цвета светодиода будут переключаться, в зависимости от расстояния от датчика расстояния до предмета. Для управления светодиодами от УЗ датчика в программе используется условные операторы if. После сборки схемы, как на картинке выше, загрузите в микроконтроллер следующую программу.
Ультразвуковой 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
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:
Датчик оснащен четырьмя выводами (стандарт 2, 54 мм):
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.
Схема взаимодействия с Arduino
Для получения данных, необходимо выполнить такую последовательность действий:
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:
Скачать бибилотеку NewPing можно здесь
Точность измерения расстояния датчиком HC SR04
Точность датчика зависит от нескольких факторов:
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:
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:
Пример скетча
Начнем работу с датчиком сразу с относительного сложного варианта – без использования внешних библиотек.
В данном скетче мы выполняем такую последовательность действий:
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.
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().
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.
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.
Подключаем ультразвуковой датчик к Ардуино
Современность добавляет функциональности множеству аналоговых устройств, за счет логических схем. В роли последних выступают персональные компьютеры и их младшие собратья — микроконтроллеры. Наиболее близкий обывателю пример — обычный медицинский градусник.
Его показания в новом исполнении легко узнать, даже без вглядывания в стеклянную палочку с определенным углом, да и подготовить измеритель к работе проще. К тому же, добавились функции сохранения в памяти последних показаний, и передача полученной информации для дальнейшей обработки в ПК.
Основой как приведенного примера, так и остальных логических устройств служат микроконтроллеры. Речь идет о таких контролирующих системах, как Arduino или Raspberry PI. Их функциональность обеспечивается не только логической частью, но и дополнительными исполняющими модулями и сенсорами.
Среди последних можно вспомнить Arduino ультразвуковой датчик. Своеобразный сонар работающий на основе неслышимого человеком звука и возвращающий расстояние до предмета в поле зрения устройства. О нем и пойдет речь дальше.
Ниши применения
Применение датчика расстояния весьма широко. В бытовой жизни его используют в парктрониках или высотомерах дронов. Встречается он в качестве своеобразных «глаз» робота-пылесоса, как и любого другого подвижного автомата. Последнее касается не только конструкций, от которых мало зависит жизнь человека, но и таких средств обеспечения его безопасности, как системы, уменьшающие шанс аварийного столкновения автомобилей или автобусов. В настоящих случаях, определив близкое препятствие при помощи звукового дальномера, связанный микроконтроллер включит аварийные тормоза.
Пригодится «высокоинтеллектуальный» дальномер и инвалидам или плохо видящим людям, в качестве дистанционного измерителя расстояния до различных препятствий. Последний можно изготовить в виде направленного датчика, закрепляемого на грудь или голову и подающего звуковой сигнал в зависимости от наличия предметов перед ним. Или же классически — закрепив чувствительный элемент на трость. В последнем случае ей даже не понадобиться дотрагиваться до поверхности, чтобы сообщить плохо видящему о наличии препоны на его пути.
Дополнительно, используя сонар, можно строить условную карту местности, с приблизительным расстоянием до предметов. Последнее сильно выручит в средах не совместимых с жизнью человека. Похожая технология, к примеру, используется в морском деле — с ее помощью строится карта дна и определяется высота структур на нем находящихся.
Ультразвуковой датчик Ардуино не единственный детектор определяющий дальность до предмета. Используются и варианты, основанные на других излучениях. К примеру, для настоящего микроконтроллера разработан инфракрасный датчик расстояния и лазерный дальномер. Каждый из видов сенсоров обладает определенными плюсами и минусами, дающими им преимущество в конкретных сферах. К примеру, лазер дает слишком узкий сектор обзора, а у инфракрасного дальномера малое расстояние определения препятствий и зависимость точности от их температуры. Плюсом в первом случае служит точность расстояний, во втором независимость от звукового фона.
Принцип работы
Скорость распространения звука конечна для разных сред. К тому же, он отражается от предметов. В жизни мы слышим последнее в качестве эха. Вычисляя разницу между отправкой звуковой волны и временем ее возврата, легко получают расстояние до отразившего его препятствия в конкретной среде. Настоящий принцип и используется на Ардуино датчиках. Конечно, небольшие различия будут в зависимости от текущей температуры или изменившегося давления в окружающем пространстве. Их учитывает микроконтроллер при обработке времени ответа, для получения более точных сведений о расстоянии.
Разница ультразвукового сонара от прочих излучателей слышимых колебаний в направленности действия. Волна двигается от него в определенную сторону, охватывая угол до 15–20° перед прибором. Оттуда же ожидается эхо-возврат, отраженный от препятствия. С целью уменьшения влияния сторонних помех на сигнал используется звук с частотой в 40 КГц, не слышимый человеческим ухом.
Существующие проблемы технологии
Главная проблема УЗ во взаимосвязи мощности сигнала и расстоянии его распространения. Для воздуха, на дальность больше 5 метров, нужно использовать и мощные излучатели, и чувствительные приемники. В воде, конечно расстояние хода волны больше. Но и требования к объему проверяемого пространства обычно шире.
Влияет на «эхо» и пористость препятствия. Губка, поролон или любая относительно не гладкая поверхность поглощают звук, слабо отражая его обратно. В разрезе темы статьи, для более точного определения расстояния можно применять лазерный дальномер Arduino.
УЗ дальномер для Arduino
Ультразвуковой датчик расстояния Ардуино удобен проработанностью интерфейсной части, соединяющей его с конечным микроконтроллером. Для передачи данных применяют всего два цифровых пина платы. Первый используется с целью генерации длительности звука, на втором сигнал HIGH держится до момента получении эха, после изначальной отправки волны. С целью увеличения точности, HC-SR04 посылает не единичный импульс, а серию из восьми.
Параметры, характеризующие ультразвуковой дальномер HC-SR04:
Подключение ультразвукового датчика к Ардуино не требует применения дополнительных радиодеталей. Достаточно прямого соединения 5 В к питанию, GND к общей земле, а пинов TRIG и ECHO с любыми двумя контактами цифрового интерфейса микроконтроллера.
Доступна возможность соединения датчика на один пин Arduino. ECHO с помощью резистора в 2.2 кОм, совмещается с TRIG. Соответственно, от платы микроконтроллера он отключается.
Скетч
Последовательность совершения операций для ультразвукового дальномера HC-SR04:
#define PIN_E_R 2
#define PIN_T_T 3
void setup() <
pinMode(PIN_E_R, INPUT);
pinMode(PIN_T_T, OUTPUT);
Serial.begin (9600);
Serial.println(“Датчик инициализирован”);
Serial.println(“Запущен бесконечный цикл с временем определения расстояния около 1 секунды”);
>
void loop() <
int SM,PERIOD_E_R;
while (true) <
//сбрасываем датчик в начале каждого цикла
digitalWrite(PIN_T_T, LOW);
delayMicroseconds(2);
//отправляем волну УЗ длинной в 10ms
digitalWrite(PIN_T_T, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(PIN_T_T, LOW);
//Замеряем время ответа
PERIOD_E_R = pulseIn(PIN_E_R,HIGH);
//если оно находиться в нормальных пределах (до 50 мс), вычисляем расстояние
if ( PERIOD_E_R
Слегка модернизировав приведенный скетч, можно создать сонар для использования в быту. Речь идет об уже рассказанных сферах — парктроник, «глазах» роботов, определителя препятствий для слабовидящих, или высотомере дрона. Естественно с коррекцией последней паузы кода в сторону ее уменьшения.
Если применяется схема с соединением по одному пину на Arduino, используется следующий скетч (модификация предыдущего):
#define PIN_T_T 3
// не нужно
//#define PIN_E_R 2
void setup() <
// не нужно
// pinMode(PIN_E_R, INPUT);
pinMode (PIN_T_T, INPUT); //изменение раз для одношинной схемы
Serial.begin (9600);
Serial.println(“Датчик инициализирован”);
Serial.println(“Запущен бесконечный цикл с временем определения расстояния в 1 секунду”);
>
Void loop () <
Int SM,PERIOD_E_R;
while (true) <
//сбрасываем датчик в начале каждого цикла
DigitalWrite (PIN_T_T, LOW);
DelayMicroseconds (2);
//отправляем волну УЗ длинной в 10ms
DigitalWrite (PIN_T_T, HIGH);
DelayMicroseconds (10);
DigitalWrite (PIN_T_T, LOW);
//Замеряем время ответа
PERIOD_E_R = pulseIn (PIN_T_T, HIGH); // изменение два для одношинной схемы
//если оно находиться в нормальных пределах (до 50 мс), вычисляем расстояние
If (PERIOD_E_R
Существует отдельная библиотека работы с ультразвуковым датчиком. Называется она «NewPing» и распространяется через сайт https://playground.arduino.cc/Code/NewPing/
#define PIN_T_T 3
#define PIN_E_R 22
#define SENS_SIZE 20
#include
//Создаем объект на основе NewPing с установкой его параметрами пинов триггера,
//эха и предельной дистанции работы. Последний важен для задержки. Если SENS_SIZE будет
//0, то она составит 1000мс. Задается расстояние в метрах
NewPing USDetector(PIN_T_T, PIN_E_R, SENS_SIZE);
Void setup () <
Serial.begin (9600);
Serial.println (“Cycle sonar on
1sec”);
>
Void loop () <
While (true) <
unsigned int SM = USDetector.ping_cm();
if (SM > 0) <
Serial.print(“Distance on eco “);
Serial.print(SM);
Serial.println(“sm”);
>
delay(950);
>
>
Основное преимущество модуля в совместимости с различными ультразвуковыми дальномерами, без изменения исходного кода скетчей. Он управляет Paralax Ping, Dyp-ME007, SRF06, SRF05, SR04. С ними всеми взаимодействие может проходить в режиме двух пинов или по одному. Достаточно в строке инициализации указать его и для ECHO и в случае TRIG. Единственным исключением будет ультразвуковой датчик SRF06. Его конструкция не допускает подключение через совмещение контактов.
Резюмируя
Надеемся представленный текст помог найти ответ на вопрос, как подключить ультразвуковой датчик своими руками к Ардуино и найти ниши использования аналогичных систем. Здесь же дана полная информация о программировании комплекса и основных его характеристиках.
Видео по теме
Ультразвуковой датчик измерения расстояния HC-SR04
Общие сведения:
Видео:
Спецификация:
Подключение:
Питание:
Входное напряжение 5 В постоянного тока, подаётся на выводы Vcc и GND датчика.
Подробнее о датчике:
Расстояние вычисляется умножением скорости на время (в данном случае скорости распространения звуковой волны V, на время ожидания эха Echo). Но так звуковая волна проходит расстояние от датчика до объекта и обратно, а нам нужно только до объекта, то результат делим на 2:
L = V * Echo / 2
Скорость звука в воздухе, в отличии от скорости света, величина не постоянная и сильно зависит от температуры:
V 2 = γ R T / M
Подставив в формулу известные значения γ, R, M, получим:
V ≈ 20,042 √T
Осталось объединить формулы вычисления V и L, и перевести L из м в см, Echo из с в мкс, T из °К в °C, получим:
L ≈ Echo √(t+273,15) / 1000
Подробнее про установку библиотеки читайте в нашей инструкции.
Примеры:
Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04:
Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04_int:
Определение расстояния с использованием библиотеки iarduino_HC_SR04_tmr:
Результат работы трёх примеров:
Из результата работы примеров видно, что если во время измерений не учитывать температуру воздуха, то можно получить расстояния с высокой погрешностью.
Описание функций библиотек:
Подключение библиотеки iarduino_HC_SR04:
Подключение библиотеки iarduino_HC_SR04_int:
Подключение библиотеки iarduino_HC_SR04_tmr:
Функция distance():
Функция begin():
Функция work():
Усреднение показаний:
Переменная averaging типа long является коэффициентом усреднения выводимых показаний. Эта переменная присутствует во всех трёх библиотеках.
При снятии показаний без усреднений (по умолчанию) мы можем получать «прыгающие» значения. Например, на дистанции в 2 метра до препятствия, показания могут колебаться от 198 до 202 (это может быть причиной многих факторов: геометрия отражающей поверхности, колебания температуры и состава воздуха, колебания питания датчика, посторонние шумы и многое другое). Для устранения этих факторов можно однократно указать коэффициент усреднения, чем выше его значение, тем плавнее будут меняться данные возвращаемые функцией distance().