HC-SR04 Ultraschallsensor mit Arduino meistern: Komplettes Tutorial

Einführung

In diesem Tutorial lernen Sie, wie der HC-SR04 Ultraschallsensor funktioniert und wie man ihn mit Arduino zur Entfernungsmessung einsetzt. Er ist der beliebteste Sensor für Distanzmessung und Hindernisvermeidung bei Arduino-Robotern.

Projekte mit HC-SR04:

• Arduino Radar (Sonar)
• Entfernungsmesser & digitale Wasserwaage
• Sicherheits- & Alarmsystem
• Arduino Ameisen-Hexapod

Video oder schriftliches Tutorial unten. Enthält Spezifikationen, Pinout, Verdrahtung, Codes, NewPing-Library, Temperaturkompensation mit DHT22.

HC-SR04 Hardware-Übersicht

Günstiger, einfach zu nutzender Distanzsensor: 2 cm – 400 cm (ca. 1 Zoll – 13 ft).

Zwei Ultraschall-Wandler:

• Sender: sendet 40 kHz Ultraschall-Impulse
• Empfänger: detektiert reflektierte Wellen

Prinzip wie SONAR in U-Booten.

Technische Daten

Betriebsspannung	5 V DC
Stromaufnahme	15 mA
Frequenz	40 kHz
Min. Reichweite	2 cm / 1 Zoll
Max. Reichweite	400 cm / 13 ft
Genauigkeit	3 mm
Messwinkel	< 15°
Abmessungen	45 × 20 × 15 mm

HC-SR04 Pinbelegung

• VCC → Arduino 5 V
• GND → Arduino GND
• Trig (Trigger) → beliebiger Digitalpin (Output)
• Echo → beliebiger Digitalpin (Input)

Trig: 10 µs High-Puls startet 8-Zyklus-Ultraschallburst. Echo: geht HIGH, wartet auf Reflexion, geht LOW bei Empfang (oder Timeout nach 38 ms).

Funktionsprinzip

Ultraschall (40 kHz) breitet sich aus, reflektiert an Objekt. Aus Laufzeit und Schallgeschwindigkeit wird Distanz berechnet.

1. Trig 10 µs HIGH → 8 Zyklen Ultraschall gesendet.
2. Echo geht sofort HIGH, startet Zeitmessung.
3. Kein Objekt → Echo nach 38 ms Timeout LOW.
4. Objekt erkannt → Echo früher LOW. Dauer = Hin- + Rückweg.

Formel: Distanz = (Schallgeschwindigkeit × Zeit) / 2

• Zeit = Echo-HIGH-Dauer (µs) via pulseIn()
• Schallgeschwindigkeit ≈ 340 m/s = 0,034 cm/µs
• Division durch 2, da Hin- und Rückweg

Beispiel: Echo HIGH 2 ms (2000 µs) → Distanz = (0,034 × 2000) / 2 = 34 cm.

HC-SR04 an Arduino anschließen

• VCC → 5 V, GND → GND
• Trig → Digitalpin 9, Echo → Digitalpin 10 (beispielhaft)

Benötigte Bauteile

• HC-SR04 Ultraschallsensor
• Arduino Board
• Steckbrett & Jumper-Kabel

HC-SR04 Arduino Code (Basis)

/* Ultrasonic Sensor HC-SR04 & Arduino
 * by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com
 */
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
long duration;
int distance;

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

void loop() {
  // Trigger-Puls
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  // Echo-Laufzeit messen
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

  // Distanz berechnen (cm)
  distance = duration * 0.034 / 2;

  // Ausgabe
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.println(distance);
}

Code-Erklärung

• pulseIn(echoPin, HIGH) misst Dauer des HIGH-Pegels in µs.
• Formel: distance = duration * 0.034 / 2 (cm).
• Serieller Monitor zeigt Distanz.

HC-SR04 mit LCD-Display

Ergebnis auf 16×2 LCD statt Serial Monitor:

/* Ultrasonic Sensor HC-SR04 & Arduino with LCD
 * by Dejan Nedelkovski, www.HowToMechatronics.com
 */
#include <LiquidCrystal.h>
LiquidCrystal lcd(1, 2, 4, 5, 6, 7);

const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
long duration;
int distanceCm, distanceInch;

void setup() {
  lcd.begin(16, 2);
  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);
  lcd.print("Distance: ");
  lcd.print(distanceCm);
  lcd.print(" cm");
  delay(10);

  lcd.setCursor(0, 1);
  lcd.print("Distance: ");
  lcd.print(distanceInch);
  lcd.print(" inch");
  delay(10);
}

NewPing Library – Einfachere Programmierung

NewPing kapselt Trigger/Messung/Rechnung. Einzeiler für Distanz:

#include <NewPing.h>
#define TRIGGER_PIN 9
#define ECHO_PIN 10
#define MAX_DISTANCE 400

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE);

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

void loop() {
  delay(50); // 20 Pings/sec max
  int distance = sonar.ping_cm(); // Distanz in cm (0 = außerhalb)
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println("cm");
}

Weitere Features:

• ping_in() → Distanz in Zoll
• ping_median(iterationen[, max_cm]) → Median mehrerer Messungen (Standard 5) für höhere Genauigkeit. Rückgabe: µs.

Genauigkeitsverbesserung: Temperaturkompensation mit DHT22

Schallgeschwindigkeit hängt von Temperatur (und Luftfeuchte) ab. Bei 20 °C ≈ 340 m/s, bei -20 °C ≈ 315 m/s.

Formel: v = 331,4 + 0,6 × T + 0,0124 × RH (T in °C, RH in %)

Arduino Code mit DHT22 & NewPing

/* HC-SR04 with Temperature Compensation
 * by Dejan, How To Mechatronics, https://howtomechatronics.com/
 */
#include <NewPing.h>
#include "dht.h" // https://github.com/RobTillaart/DHTlib

#define TRIGGER_PIN 9
#define ECHO_PIN 10
#define MAX_DISTANCE 400
#define DHT22_PIN 5

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE);
dht DHT;

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

void loop() {
  delay(100);
  int chk = DHT.read22(DHT22_PIN);
  float temp = DHT.temperature;
  float hum = DHT.humidity;

  float vSound = 331.4 + (0.6 * temp) + (0.0124 * hum); // m/s

  unsigned int duration = sonar.ping_median(10); // µs
  float durationSec = duration / 1000000.0; // s
  float distance = (vSound * durationSec) / 2.0; // m
  distance *= 100; // cm

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

HC-SR04 Abmessungen & 3D-Modell

3D-Modell (STL/STEP) auf Thangs zum Download.

Hinweis: Maße können je Hersteller leicht abweichen.

Fazit

Der HC-SR04 ist ideal für berührungslose Distanzmessung, Objekterkennung, Füllstandsmessung etc. Weitere Projektideen:

• Berührungsloser Mülleimer (Bewegungssensor)
• Gesten-gesteuertes Licht
• Mini-Akustische Levitation
• Hindernisvermeidender Roboter

Viel Erfolg! Fragen in den Kommentaren. Meine 30+ Arduino-Projekte anschauen.