Ultraschallsensor HC-SR04 und Arduino – Vollständige Anleitung

Code-Erklärung

Zuerst müssen wir die Trig- und Echo-Pins definieren. In diesem Fall sind es die Pins Nummer 9 und 10 auf dem Arduino Board und sie heißen trigPin und echoPin. Dann brauchen wir eine Long-Variable mit dem Namen "duration" für die Fahrzeit, die wir vom Sensor erhalten, und eine Integer-Variable für die Entfernung.

// defines pins numbers
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;

// defines variables
long duration;
int distance; Codesprache:Arduino (arduino) 

Im Setup müssen wir den trigPin als Ausgang und den echoPin als Eingang definieren und auch die serielle Kommunikation starten, um die Ergebnisse auf dem seriellen Monitor anzuzeigen.

void setup() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT); // Sets the trigPin as an Output
  pinMode(echoPin, INPUT); // Sets the echoPin as an Input
  Serial.begin(9600); // Starts the serial communication
} Codesprache:Arduino (arduino) 

In der Schleife müssen wir zuerst sicherstellen, dass der trigPin frei ist, also müssen Sie diesen Pin für nur 2 µs auf einen LOW-Zustand setzen. Um nun die Ultraschallwelle zu erzeugen, müssen wir den trigPin für 10 µs auf HIGH State setzen.

// Clears the trigPin
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);

// Sets the trigPin on HIGH state for 10 micro seconds
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW); Codesprache:Arduino (arduino) 

Verwenden von pulseIn() Funktion lesen wir die Reisezeit und geben diesen Wert in die Variable „Dauer“ ein. Diese Funktion hat 2 Parameter, der erste ist der Name des Echo-Pins und der zweite ist der Status des Impulses, den wir lesen, entweder High oder Low.

// Reads the echoPin, returns the sound wave travel time in microseconds
duration = pulseIn(echoPin, HIGH); Codesprache:Arduino (arduino) 

In diesem Fall müssen wir diesen auf HIGH setzen, da die HC-SR04-Sensoren den Echo-Pin auf High setzen, nachdem sie den 8-Zyklus-Ultraschall-Burst vom Sender gesendet haben. Dies startet tatsächlich das Timing und sobald wir die reflektierte Schallwelle empfangen, geht der Echo-Pin auf Low, was das Timing stoppt. Am Ende gibt die Funktion die Länge des Impulses in Mikrosekunden zurück.

Um die Entfernung zu erhalten, multiplizieren wir die Dauer mit 0,034 und dividieren sie durch 2, wie wir diese Gleichung zuvor erklärt haben.

// Calculating the distance
distance= duration*0.034/2;

// Prints the distance on the Serial Monitor
Serial.print("Distance: ");
Serial.println(distance); Codesprache:Arduino (arduino) 

Am Ende drucken wir den Wert der Entfernung auf dem seriellen Monitor aus.

Beispiel für einen Arduino-Ultraschallsensor und ein LCD-Display

Hier ist ein weiteres Beispiel, wie man den Ultraschallsensor mit Arduino verwendet und die Ergebnisse auf einem LCD anzeigt.

Sie können den Ultraschallsensor und das LDC wie folgt verbinden:

Der Code, der die Entfernung misst, ist ziemlich identisch mit dem einfachen Beispiel. Anstatt die Ergebnisse auf dem seriellen Monitor auszudrucken, drucken wir sie hier auf dem LCD aus. Wenn Sie weitere Informationen zur Verwendung und Verbindung eines LCD mit Arduino benötigen, können Sie mein spezielles Tutorial dafür lesen.

/*
  Ultrasonic Sensor HC-SR04 and Arduino Tutorial

  by Dejan Nedelkovski,
  www.HowToMechatronics.com

*/
#include <LiquidCrystal.h> // includes the LiquidCrystal Library
LiquidCrystal lcd(1, 2, 4, 5, 6, 7); // Creates an LCD object. Parameters: (rs, enable, d4, d5, d6, d7)
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
long duration;
int distanceCm, distanceInch;
void setup() {
  lcd.begin(16, 2); // Initializes the interface to the LCD screen, and specifies the dimensions (width and height) of the display
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}
void loop() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  distanceCm = duration * 0.034 / 2;
  distanceInch = duration * 0.0133 / 2;
  lcd.setCursor(0, 0); // Sets the location at which subsequent text written to the LCD will be displayed
  lcd.print("Distance: "); // Prints string "Distance" on the LCD
  lcd.print(distanceCm); // Prints the distance value from the sensor
  lcd.print(" cm");
  delay(10);
  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Distance: ");
  lcd.print(distanceInch);
  lcd.print(" inch");
  delay(10);
} Codesprache:Arduino (arduino) 

Beispielcode mit der NewPing-Bibliothek

Es gibt tatsächlich eine einfachere und bessere Möglichkeit, den Arduino für die Entfernungsmessung mit dem HC-SR04-Ultraschallsensor zu programmieren, und zwar mit der NewPing-Bibliothek.

In dem zuvor erläuterten Code haben wir den Sensor manuell ausgelöst und die empfangene Signalimpulsdauer gemessen. Dann haben wir anhand dieser Ergebnisse die Entfernung darauf basierend berechnet. Mit der NewPing-Bibliothek können wir die Entfernung mit nur einer einzigen Codezeile ermitteln.

Hier ist ein Beispielcode:

#include <NewPing.h>

#define TRIGGER_PIN  9
#define ECHO_PIN     10
#define MAX_DISTANCE 400 // Maximum distance we want to measure (in centimeters).


NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); // NewPing setup of pins and maximum distance.

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  delay(50);                    // Wait 50ms between pings (about 20 pings/sec). 29ms should be the shortest delay between pings.

  int distance = sonar.ping_cm(); // Send ping, get distance in cm and print result (0 = outside set distance range)

  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println("cm");
} Codesprache:Arduino (arduino) 

Es ist viel einfacher als das vorherige Beispiel. Wir verwenden einfach den Aufruf ping_cm() -Methode auf das NewPing-Sonarobjekt und wir erhalten die Entfernung in Zentimetern. Wenn wir den Abstand in Zoll wollen, können wir das ping_in() verwenden stattdessen.

Die Bibliothek hat auch einige andere nützliche Funktionen. Zum Beispiel mit dem ping_median(iterations [, max_cm_distance]) -Methode können wir genauere Ergebnisse erhalten, da sie einen Median oder den Mittelwert aus mehreren Messungen zurückgibt. Mit den Iterationen Parameter stellen wir die Anzahl der Abtastungen ein, die das Programm zur Berechnung des Mittelwerts verwendet. Der Standardwert ist 5 Iterationen. Der ping_median() gibt die empfangene Pulsdauer in Mikrosekunden zurück.

Für weitere Informationen und Details können Sie jedoch die NewPing-Wiki-Seite besuchen.

Verbesserung der Genauigkeit des Abstandssensors HC-SR04 mit dem Temperatursensor DHT22

Der HC-SR04-Sensor ist ziemlich genau, aber da seine Arbeit von der Schallgeschwindigkeit abhängt, sollten wir für genauere Ergebnisse auch die Lufttemperatur berücksichtigen. Die Schallgeschwindigkeit kann sich erheblich ändern, wenn sich die Lufttemperatur ändert. Beispielsweise beträgt die Schallgeschwindigkeit bei 20 °C etwa 340 m/s, aber bei -20 °C beträgt die Schallgeschwindigkeit etwa 315 m/s. Auch die relative Luftfeuchtigkeit beeinflusst die Geschwindigkeit.

Wenn wir also diesen Sensor verwenden, um Entfernungen bei verschiedenen Temperaturen zu messen, sollten wir eine Temperaturkompensation implementieren, und das können wir mit der folgenden Formel tun:

Geschwindigkeit =331,4 + 0,6 x Temperatur + 0,0124 x relative_Luftfeuchtigkeit

Hier ist ein Beispiel:

Neben dem HC-SR04-Ultraschallsensor werden wir den DHT11 / DHT22-Sensor verwenden, um die Temperatur und die Luftfeuchtigkeit der Umgebung zu messen und den Schallgeschwindigkeitswert entsprechend anzupassen.

Arduino-Code

/*
  Example made by Dejan, How To Mechatronics,
  https://howtomechatronics.com/

*/

#include <NewPing.h>  // https://bitbucket.org/teckel12/arduino-new-ping/wiki/Home
#include "dht.h"      // https://github.com/RobTillaart/DHTlib

#define TRIGGER_PIN  9
#define ECHO_PIN     10
#define MAX_DISTANCE 400
#define dht22 5 // DHT22 temperature and humidity sensor

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE);
dht DHT; // Creats a DHT object

int readDHT, temp, hum;
float speedOfSound, distance, duration;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  delay(100);

  // Read temperature and humidity from DHT22 sensor
  readDHT = DHT.read22(dht22); // Reads the data from the sensor
  temp = DHT.temperature; // Gets the values of the temperature
  hum = DHT.humidity; // Gets the values of the humidity


  speedOfSound = 331.4 + (0.6 * temp) + (0.0124 * hum); // Calculate speed of sound in m/s

  duration = sonar.ping_median(10); // 10 interations - returns duration in microseconds
  duration = duration/1000000; // Convert mircroseconds to seconds
  distance = (speedOfSound * duration)/2;
  distance = distance * 100; // meters to centimeters

  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println("cm");

} Codesprache:Arduino (arduino) 

Also lesen wir zuerst die Temperatur- und Feuchtigkeitswerte vom DHT22-Sensor und verwenden diese Werte dann, um die Schallgeschwindigkeit zu berechnen. Dann erhalten wir die Laufzeit der Schallwellen in Mikrosekunden, wandeln sie in Sekunden um und berechnen die Entfernung vom Sensor zu den Objekten in Zentimetern.

HC-SR04 Abmessungen und 3D-Modell

Ich habe ein 3D-Modell des HC-SR04-Ultraschallsensors erstellt, falls Sie eines benötigen, wenn Sie Ihr nächstes Projekt damit machen. Sie können es über den unten stehenden Link herunterladen.

Sie können dieses 3D-Modell bei Thangs finden und herunterladen.

Hier sind die Abmessungen des HC-SR04-Sensors:

Bitte beachten Sie, dass diese je nach Hersteller manchmal etwas abweichen können.

Schlussfolgerung

Wir haben also so ziemlich alles abgedeckt, was wir über die Verwendung des HC-SR04-Ultraschallsensors mit Arduino wissen müssen. Es ist ein großartiger Sensor für viele DIY-Elektronikprojekte, bei denen wir eine berührungslose Abstandsmessung, Präsenz- oder Objekterkennung, Füllstand oder Position von etwas usw. benötigen.

Die Projekte, die ich mit diesem Sensor gemacht habe, habe ich bereits am Anfang des Beitrags erwähnt. Hier sind einige andere coole Projekte mit dem HC-SR04-Sensor und Arduino:

• Berührungsloser automatischer Mülleimer mit Bewegungssensor
• Intelligente Lichtsteuerung mit Handgesten
• Akustische Mini-Levitation
• Roboter zur Vermeidung von Hindernissen

Ich hoffe, Ihnen hat dieses Tutorial gefallen und Sie haben etwas Neues gelernt. Fühlen Sie sich frei, Fragen in den Kommentaren unten zu stellen, und vergessen Sie nicht, sich meine vollständige Sammlung von über 30 Arduino-Projekten anzusehen.