Дальномер с помощью датчика HC-SR04 и Arduino

Собираем дальномер на основе hc sr04 для Arduino, который при приближении объекта на расстояние менее 4 см включит красный светодиод.

1. Основы сборки дальномера

Ардуино – уникальная система, представляющая собой пластилин в руках инженера, из которого он может слепить, что пожелает.

Возможно это благодаря большому разнообразию датчиков и модулей разных направленностей. От простых чипов, измеряющих силу тока, до вещей вроде Arduino hc hc sr04.

Это специальный датчик, позволяющий, при помощи ультразвуковых волн, измерить расстояние до объекта, на который его направили. Несложно догадаться, что проще всего его применить для создания простого дальномера. Рассмотрим Arduino hc sr04 и какие нюансы в работе с ним стоит учитывать, прежде чем начать собирать проект.

Если вы собираетесь собрать дальномер на Ардуино, то без HC SR04 просто не обойтись. Ведь именно этот модуль чаще всего применяют в подобных системах из-за его высокой востребованности, по причине простоты работы, доступности и низкой стоимости. При этом точность показаний остаётся на высоте, что очень важно в подобных системах. Из данного чипа можно собрать не только дальномер на Ардуино, но и полноценного робота, который будет чувствовать расстояние до объекта и обходить любое препятствие.

Однако сегодня мы рассмотрим именно вариант с дальномером на Аrduino, так как он идеально подойдёт для новичков в сфере, которые ещё не слишком хорошо разбираются в основах.

Если же вы захотите затем модифицировать своё изобретение, то можно научить его моделировать полноценную трехмерную карту помещения, что будет удобно для тех, кто занимается дизайном и конструированием мебели или зданий. Но сначала стоит рассмотреть, как вообще работает данный прибор и какие основы сборки стоит усвоить, прежде чем создать лазерный дальномер на Ардуино своими руками.

Наш дальномер на Arduino будет основан на сонаре, применяемом в природе дельфинами, для измерения расстояния до объектов и спокойного обхождения препятствий. Делается это с помощью физических свойств ультразвуковых волн, которые способны отражаться, сталкиваясь с твердыми объектами, и возвращаться обратно к датчикам.

Далее в ход вступает программный код, который высчитывает, сколько времени прошло между посланием и возвратом волны, делит его на два и с помощью формул и скорости звука высчитывает усреднённое расстояние до объекта.

Почему усреднённое?

Дело в том, что любой ультразвуковой датчик все равно будет ошибаться на десятые доли метра, связано это с тем, что различные материалы, окружение и прочие переменные могут повлиять на скорость движения и отражения от поверхности звука. А в данном проекте мы берём идеальную систему, которая в реальном мире работать не может.

Можно постараться учесть все эти факторы, но каждую переменную вы все равно не запрограммируете, поэтому наша задача – получить данные, максимально приближённые к показаниям профессиональных приборов, ведь дальномер Ардуино всё ещё далёк от них по точности.

Есть и ещё один нюанс, который вам стоит заранее учесть, собирая ультразвуковой дальномер Arduino – не все поверхности подходят для измерения. Дело в том, что некоторые материалы способны поглощать звук или слишком сильно искажать его движение, подобно тому, как черная рубашка поглощает электромагнитную световую волну.

Соответственно, лучше всего применять прибор к гладким и плоским поверхностям, которые не будут нарушать движения УВ, что также ограничивает его функционал. Но благодаря низкому ценнику и удобству работы датчик всё ещё остается достаточно популярным.

2. Что будет в уроке?

Мы соберем дальномер, который будет работать по следующему принципу: при приближении объекта на расстояние менее 4 сантиметров - загорается красный светодиод, иначе горит зеленый.

Достаточно простой пример, в котором мы проверим точность измерения расстояния дальномером hc-sr04. Основа проверки точности станет простая линейк.

3. Инструменты

Чтобы лишний раз не бегать в магазин прямо посреди процесса сборки системы, лучше заранее подготовить все инструменты, что могут вам пригодиться. Так, стоит побеспокоиться, чтобы под рукой были:

1. Паяльник. Хорошим выбором станут приборы с регулируемой мощностью, их можно приспособить к любой ситуации.
2. Проводники. Естественно, датчик необходимо будет подсоединять к МК, и для этого не всегда подходят стандартные пины.
3. Переходник под usb-порт. Если на вашем микроконтроллере нет встроенного порта, побеспокойтесь о том, чтобы его можно было подключить к ПК другим способом. Ведь вам необходимо будет подгружать дополнительные библиотеки и новую прошивку в ваш проект.
4. Припой, канифоль и прочие мелочи, в том числе изолированное рабочее пространство.
5. Сам чип и МК, а также, при необходимости, корпус будущего устройства. Наиболее опытные инженеры предпочитают распечатывать оболочку для своих проектов на 3Д принтере, однако, если вы живёте в крупном городе, не обязательно тратиться. Можете поискать компании, дающие в аренду принтеры.

Стоит понимать, что дальномер Arduino относится к приборам бесконтактного типа и способен обеспечивать точные измерения. Но всё же не стоит забывать, что профессиональные устройства используют совершенно другие технологии и проходят длительную калибровку под все материалы, а соответственно, в любом случае, окажутся лучше. Также у нашего проекта будет ограниченный диапазон измерения расстояний, от 0.03 до 4 метров, что подойдёт не во всех случаях.

Но, что хорошо, на работу устройства не оказывается никакого влияния со стороны ЭМ излучений и солнечной энергии. А в комплекте к датчику уже находятся нужные ресиверы и трансмиттеры, которые пригодятся, когда вы будете собирать ультразвуковой дальномер Ардуино.

4. Комплектующие

Так как мы решили пока ничего не паять - оптимальный набор деталей будет следующим:

• 1 - Arduino UNO R3 (или аналог)
• 1 - Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04
• 1 - красный светодиод
• 1 - зеленый светодиод
• 2 - резистор 560 Ом
• 1- макетная плата
• 8 - проводов-перемычек (папа-папа)
• 1 - линейка для измерения расстояния

5. Подключение датчика HC SR04

С подключением датчика не должно возникнуть никаких проблем. Достаточно с помощью проводников соединить пин на питание с источником или МК, а ввод и вывод, соответственно, присоединить непосредственно к МК. Воспользуйтесь схемой ниже для сборки схемы:

У самого сенсора SR04 следующие характеристики от которых вам стоит отталкиваться:

1. Напряжение для питания – 5В.
2. Работает в цепях с силой тока 15 мА.
3. Если датчик не используется, то для поддержания его в пассивном состоянии всё ещё требуется до 2 мА.
4. Угол обзора у модуля небольшой, всего 15 градусов.
5. Разрешение сенсора – 3 десятых см.
6. А вот угол для измерений составляет уже приятные 30 градусов.

Также на датчике имеются четыре вывода по стандарту 2.54 мм. В них входит контакт для питания с положительным напряжением +5В, пины для ввода и вывода сигнала и заземление.

В конечном варианте выглядеть устройство должно примерно таким образом:

6. Код

Код для нашего устройства ниже. Помните, что красный светодиод должен загораться при расстоянии менее 4 см.

/*
Arduino HC-SR04 ультразвуковой датчик расстояния
VCC подключается к 5v, GND к GND
Echo к 13 пину на Arduino, Trig к 12 пину на Arduino
Позитивная нога красного светодиода к 11 пину на Arduino
Позитивная нога зеленого светодиода к 10 пину на Arduino
*/
#define trigPin 13
#define echoPin 12
#define led 11
#define led2 10

void setup() {
Serial.begin (9600);
pinMode(trigPin, OUTPUT);
pinMode(echoPin, INPUT);
pinMode(led, OUTPUT);
pinMode(led2, OUTPUT);
}

void loop() {
long duration, distance;
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
distance = (duration/2) / 29.1;

if (distance < 4) { // На этом этапе происходит вкл/выкл светодиода 
digitalWrite(led,HIGH); // когда загорается красный, зеленый обязан выключится
digitalWrite(led2,LOW); 
} else { 
digitalWrite(led,LOW); digitalWrite(led2,HIGH); 
} 

if (distance >= 200 || distance <= 0){
Serial.println("Out of range"); // Вне диапазона
}
else {
Serial.print(distance);
Serial.println(" cm"); // тут тоже можно указать " см"
}
delay(500);
}

Единственное, о чем стоит помнить, – далеко не все функции и библиотеки написаны профессионалами. Многие из них создаются такими новичками, как и вы, соответственно, старайтесь просматривать код, прежде чем заключать, что датчик не работает или выдаёт неправильные данные.

Но значительно лучше будет изучить основы программирования и С++, чтобы в дальнейшем самостоятельно писать многие вещи самому.

7. Запуск и настройка

При первом запуске устройства происходит следующее:

1. Подается импульс на вход Trig.
2. В самом датчике сигнал преобразуется в 8 импульсов, у которых частота достигает 40 кГц, их он, соответственно, и посылает вперёд.
3. Доходя до препятствия, импульсы отражаются и возвращаются на приемник, происходят моментальные расчеты в МК, и вся информация подаётся на устройство вывода. В нашем случае – это консоль ПК, но в будущем мы сделаем урок, где данные будут выводиться на LED-экранчик.

При первом запуске мы используем линейку, которая позволит сравнить точность измерений. Запустив устройство, проверьте данные, которые будут выведены в консоли.

Датчик пользуется большой популярностью и всё больше людей пишут свои решения для работы с ним.