Arduino и датчик расстояния HC-SR04

Описание

HC-SR04 – ультразвуковой датчик расстояния. Характеристики:

• Питание: 5V
• Рабочий ток: 15 мА
• Звуковая частота: 40 кГц
• Угол измерения: 15 градусов
• Диапазон измерения: 2 см.. 4 м
• Точность: ~1 мм при грамотной фильтрации

Датчик работает довольно интересно: подаём импульс с продолжительностью 10 мкс на пин Trig, модуль посылает ультразвуковой импульс, он отражается от препятствия и детектируется. Затем с пина Echo возвращается импульс по продолжительности соответствующий времени путешествия звуковой волны. Ардуина этот импульс должна измерить.

Подключение

Подключаем к питанию и любым цифровым пинам:

Библиотеки

С датчиком можно работать без библиотек, стандартными средствами Arduino. Но есть и библиотеки:

• HC-SR04 – можно установить по названию HC-SR04 из менеджера библиотек (автор Dirk Sarodnick)
• NewPing – можно установить по названию NewPing из менеджера библиотек

Примеры

Небольшой момент: чтобы датчик не ловил “эхо” от самого себя – его не рекомендуется опрашивать чаще 30 мс!

// пины
#define HC_TRIG 3
#define HC_ECHO 2

void setup() {
  Serial.begin(9600);       // для связи
  pinMode(HC_TRIG, OUTPUT); // trig выход
  pinMode(HC_ECHO, INPUT);  // echo вход
}

void loop() {
  float dist = getDist();   // получаем расстояние
  Serial.println(dist);     // выводим
  delay(50);
}

// сделаем функцию для удобства
float getDist() {
  // импульс 10 мкс
  digitalWrite(HC_TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(HC_TRIG, LOW);

  // измеряем время ответного импульса
  uint32_t us = pulseIn(HC_ECHO, HIGH);

  // считаем расстояние и возвращаем
  return (us / 58.2);
}

// пины
#define HC_TRIG 3
#define HC_ECHO 2

void setup() {
  Serial.begin(9600);       // для связи
  pinMode(HC_TRIG, OUTPUT); // trig выход
  pinMode(HC_ECHO, INPUT);  // echo вход
}

float distFilt = 0;
void loop() {  
  float dist = getDist();       // получаем расстояние  
  distFilt += (dist - distFilt) * 0.2;  // фильтруем  
  Serial.println(distFilt);     // выводим
  delay(50);
}

// сделаем функцию для удобства
float getDist() {
  // импульс 10 мкс
  digitalWrite(HC_TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(HC_TRIG, LOW);

  // измеряем время ответного импульса
  uint32_t us = pulseIn(HC_ECHO, HIGH);

  // считаем расстояние и возвращаем
  return (us / 58.3);
}

// пины
#define HC_TRIG 3
#define HC_ECHO 2

#include <NewPing.h>
// указываем пины и макс. расстояние в сантиметрах
NewPing sonar(HC_TRIG, HC_ECHO, 100);

void setup() {
  Serial.begin(9600);       // для связи
}

void loop() {
  // получаем и выводим
  Serial.println(sonar.ping_cm());
  delay(50);
}

Кстати, опрос датчика при помощи pulseIn(), не так плох, как про него пишут на форумах: погрешность измерения составляет всего 0.5 мкс:

что в пересчёте на расстояние даёт точность 0.17 мм! На деле точность получается в два раза выше, так как фактически мы измеряем сигнал два раза (путь до препятствия и обратно). Сам датчик шумит гораздо сильнее, поэтому миллиметровую точность получить абсолютно не проблема. Но есть проблема в другом: выполнение кода блокируется на время измерения, например на трёх метрах это будет 17 мс. Вроде и немного, но для некоторых задач это будет весьма критично.

Ещё один момент: скорость звука зависит от температуры: при +20°С это 343 м/с, а при -20°С – 318 м/с! А ведь это целых 318/343=7%, что на расстоянии в 1 метр даст погрешность 7 сантиметров. Много, гораздо больше возможных погрешностей в измерении. Давайте это исправим.

В диапазоне -50.. 50°С зависимость является линейной и аппроксимируется уравнением V = 0.609 * t + 330.75:

Таким образом для нахождения более точного расстояния с поправкой на температуру достаточно делить время импульса не на 58, а на.. кстати, откуда берётся 58? Для прохождения 1 м звуку понадобится 1 / 343 = 0.0029 с, или 2.915 мс. Мы получаем время туда и обратно, поэтому умножаем ещё на 2. В и для сантиметров – ещё на 10, и получаем 58.3. Гораздо понятнее было бы умножать время импульса на скорость звука и делить пополам.

Таким образом для расчёта расстояния в миллиметрах с учётом температуры в °С получим формулу:

S = us * V / 2000 
S = us * (0.609 * t + 330.75) / 2000
S = us * (t * 6 / 10 + 330) / 2000

Настолько высокая точность нам не нужна, поэтому можно избавиться от float, чтобы код весил меньше (третье уравнение). Погрешность составит не более 1 мм на 1 метр. И финальный пример тогда (подставим в первую программу):

// пины
#define HC_TRIG 3
#define HC_ECHO 2

void setup() {
  Serial.begin(9600);       // для связи
  pinMode(HC_TRIG, OUTPUT); // trig выход
  pinMode(HC_ECHO, INPUT);  // echo вход
}

void loop() {
  int t = 24;           // представим, что получили с датчика
  int dist = getMm(t);  // получаем расстояние в мм
  Serial.println(dist); // выводим
  delay(50);
}

// сделаем функцию для удобства
int getMm(int t) {
  // импульс 10 мкс
  digitalWrite(HC_TRIG, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(HC_TRIG, LOW);

  // измеряем время ответного импульса
  uint32_t us = pulseIn(HC_ECHO, HIGH);

  // считаем расстояние и возвращаем
  return (us * (t * 6 / 10 + 330) / 2000ul);
}

Отфильтровать – и будет супер!

Домашнее задание

• Попробовать другие библиотеки для HC-SR04
• Попробовать разные фильтры из урока на финальном примере