Ультразвуковой дальномер Roborace HC-SR04: руководство по использованию

Ультразвуковой датчик расстояния Roborace HC-SR04 поможет мобильным роботам определять расстояния до объектов, объезжать препятствия и строить карту помещения. Дальномер также выступит в роли сенсора уровня воды, детектора движения или триггерам в охранных системах.

Общие сведения

Ультразвуковой дальномер измеряет расстояние между датчиком и объектом с помощью эхолокации. Передатчик излучает ультразвуковую волну на частоте, неуловимой человеческим слухом. Достигая препятствие, сигнал отражается и возвращается на эхо-приёмник. Зная время, за которое звук проходит от передатчика до приемника, рассчитывается расстояние до объекта.

Элементы платы

Ультразвуковой передатчик и приёмник

На модуле расположена пара ультразвуковых преобразователей сигналов.

• Передатчик (Transmitter) AW8T40-16OA00 предназначен для передачи ультразвуковых волн в окружающее пространство.
• Приёмник (Receive) AW8R40-16OA00 предназначен для приёма отраженных ультразвуковых волн от предметов окружающего мира.

Ультразвуковой передатчик и приемник подключены к электронной обвязки модуля.

Электронная обвязка модуля

Электронная обвязка модуля выполнена на чипе CS100, который объединяет ультразвуковую схему передачи, ультразвуковую схему приёма и схему цифровой обработки. Для работы CS100 необходим кварцевый резонатор 8 МГц, также обвязка из конденсаторов и резисторов.

Контакты подключения

Датчик расстояния подключается к управляющей электронике через группу из четырёх контактов.

Контакт	Функция	Подключение
GND	Земля	Подключите к земле микроконтроллера.
ECHO	Контакт приёма сигнала	Подключите к пину ввода-вывода микроконтроллера.
TRIG	Контакт отправки сигнала	Подключите к пину ввода-вывода микроконтроллера.
VCC	Питание	Подключите к питанию микроконтроллера.

Подробности работы

Давайте ещё раз более детально рассмотрим принцип работы ультразвукового дальномера.

Фаза	Действие	Линия TRIG	Линия ECHO
0	Датчик в режиме ожидания.	0	0
1	Подайте стартовый импульс с внешнего контроллера на линию TRIG длительностью 10 мкс.	1	0
2	Датчик в режиме посылки звуковой волны. Через 250 мск датчик сгенерирует восемь импульсов на ультразвуковой передатчик (Transmitter).	0	0
3	Датчик в режиме приёма звуковой волны. По спаду последнего из восьми сгенерированных импульсов на передатчик, датчик устанавливает высокий уровень на линии ECHO и входит в режим приёма получения отраженной волны на ультразвуковой приёмник (Receive).	0	1
4	Датчик в режиме приёма звуковой волны. Если отражённая волна пришла на приёмник (Receive): после получения последнего импульса волны, датчик переходит в режим ожидания и устанавливает низкий уровень на линии ECHO. Время наличия высокого уровня на линии ECHO равно времени прохождения ультразвуковой волны от датчика до препятствия и обратно. Если в течении 38 мс датчик не принял отраженную волну: датчик переходит в режим ожидания и устанавливает высокий уровень на линии ECHO.	0	1

Рекомендуется выдерживать паузу не менее 50 мс между двумя измерениями, т.к. отражённая волна первого измерения может отразиться от удалённых объектов и стать причиной искажения результатов второго измерения.

Примеры работы с Arduino

Библиотеки

Для поиска расстояния до объекта, необходимо вручную посылать и контролировать время отклика импульса. Но вы можете не задумываться о временных рамках, мы написали целых три библиотеки для упрощения работы с датчиком. Каждая библиотека имеет преимущества и недостатки.

Библиотека iarduino_HC_SR04

Посылка и приём импульсов происходит программно.

• Преимущества:
  • Совместимость со всеми платами Arduino.
  • Дальномер можно подключать к любым выводам Arduino.
• Недостатки:
  • Библиотека ждёт ответа от датчика, который может длиться до 38 мс.

Библиотека iarduino_HC_SR04_tmr

Посылка и приём импульсов происходит через аппаратный таймер — Timer2.

• Преимущество:
  • Библиотека не ждёт ответа от датчика, который может длиться до 38 мс.
• Недостатки:
  • Совместимость только с платами Arduino с ядром AVR: Uno, Leonardo, Mega, Nano и их аналоги.
  • Нельзя использовать ШИМ на контактах: 3 и 11
  • Нельзя подключить более четырёх дальномеров.
  • Нельзя работать с библиотеками которые так же используют аппаратный таймер — Timer2.

Библиотека iarduino_HC_SR04_int

Посылка и приём импульсов происходит через аппаратные прерывания.

• Преимущество:
  • Библиотека не ждёт ответа от датчика, который может длиться до 38 мс.
• Недостатки:
  • Совместимость только с платами Arduino, которые поддерживают прерывания.
  • Контакт ECHO нужно подключать только к тем выводам Arduino, которые поддерживают внешние прерывания. Контакт TRIG можно подключать к любому выводу Arduino.
  • Количество подключаемых датчиков ограничено количеством выводов с прерыванием.

Рассмотрим по одному примеру для каждой библиотеки.

Пример работы с iarduino_HC_SR04

Библиотека iarduino_HC_SR04 позволяет использовать любые платы Arduino. Для примера возьмём контроллер Arduino Uno.

Что понадобится

• 1× Arduino Uno
• 1× Дальномер Roborace HC-SR04
• 1× Соединительные провода «папа-мама»
• 1× Кабель USB

Рекомендуем также обратить внимание на дополнительные расширения:

• Trema Shield поможет подключить дальномер к Arduino с помощью соединительных провода «мама-мама».
• ICSP-переходник поможет подключить дальномер к Arduino без проводов вовсе.

Схема устройства

Библиотека iarduino_HC_SR04 позволяет использовать для коммуникации с дальномером любые пины ввода-вывода. Для примера повесим контакты датчика расстояния TRIG и ECHO на пины контроллера 12 и 11.

  // Назначаем пины датчика расстояния
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_TRIG = 12;
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_ECHO = 11;

Схема устройства с Trema Shield

Схема устройства через ICSP-переходник

При коммуникации дальномера через ICSP-переходник, используйте инициализацию пинов ECHO и TRIG приведённую ниже. Все подробности мы описали в отдельной статье по ICSP-переходнику.

  // Назначаем пины датчика расстояния
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_TRIG = PIN_SPI_MISO;
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_ECHO = PIN_SPI_MOSI;

Программная настройка

• Скачайте и настройте Arduino IDE.
• Скачайте и установите библиотеку iarduino_HC_SR04.

Программный код

  // Библиотека для работы с дальномером
  #include <iarduino_HC_SR04.h>
  
  // Назначаем пины датчика расстояния
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_TRIG = 12;
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_ECHO = 11;
  
  // Создаем объект для работы с дальномером
  // и передаем в него пины TRIG и ECHO
  iarduino_HC_SR04 sensor(PIN_SENSOR_TRIG, PIN_SENSOR_ECHO);
  
  void setup(){
    // Открываем Serial-порт
    Serial.begin(9600);
  }
  
  void loop(){
    // Вычисляем расстояние до объекта
    int sensorDistance = sensor.distance();
    // Выводим расстояние в Serial-порт
    Serial.print(sensorDistance);
    Serial.println(" cm"); 
    // Ждём 100 мс
    delay(100);
  }

Результат работы

После прошивки устройства, дальномер будем считывать расстояние до преграды и выводить в консоль.

Пример работы с iarduino_HC_SR04_tmr

Библиотека iarduino_HC_SR04_tmr позволяет использовать только Arduino с ядром AVR. Для примера возьмём контроллер Arduino Uno.

Что понадобится

• 1× Arduino Uno
• 1× Дальномер Roborace HC-SR04
• 1× Соединительные провода «папа-мама»
• 1× Кабель USB

Рекомендуем также обратить внимание на дополнительные расширения:

• Trema Shield поможет подключить дальномер к Arduino с помощью соединительных провода «мама-мама».
• ICSP-переходник поможет подключить дальномер к Arduino без проводов вовсе.

Схема устройства

Библиотека iarduino_HC_SR04_tmr позволяет использовать для коммуникации с дальномером любые пины ввода-вывода. Для примера повесим контакты датчика расстояния TRIG и ECHO на пины контроллера 12 и 11.

  // Назначаем пины датчика расстояния
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_TRIG = 12;
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_ECHO = 11;

Схема устройства с Trema Shield

Схема устройства через ICSP-переходник

При коммуникации дальномера через ICSP-переходник, используйте инициализацию пинов ECHO и TRIG приведённую ниже. Все подробности мы описали в отдельной статье по ICSP-переходнику.

  // Назначаем пины датчика расстояния
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_TRIG = PIN_SPI_MISO;
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_ECHO = PIN_SPI_MOSI;

Программная настройка

• Скачайте и настройте Arduino IDE.
• Скачайте и установите библиотеку iarduino_HC_SR04_tmr.

Программный код

  // Библиотека для работы с дальномером
  #include <iarduino_HC_SR04_tmr.h>
  
  // Назначаем пины датчика расстояния
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_TRIG = 12;
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_ECHO = 11;
  
  // Создаем объект для работы с дальномером
  // и передаем в него пины TRIG и ECHO
  iarduino_HC_SR04_tmr sensor(PIN_SENSOR_TRIG, PIN_SENSOR_ECHO);
  
  void setup(){
    // Открываем Serial-порт
    Serial.begin(9600);
    // Инициируем работу с датчиком
    sensor.begin();
  }
  
  void loop(){
    // Вычисляем расстояние до объекта
    int sensorDistance = sensor.distance();
    // Выводим расстояние в Serial-порт
    Serial.print(sensorDistance);
    Serial.println(" cm"); 
    // Ждём 100 мс
    delay(100);
  }

Результат работы

После прошивки устройства, дальномер будем считывать расстояние до преграды и выводить в консоль.

Пример работы с iarduino_HC_SR04_int

Библиотека iarduino_HC_SR04_int позволяет использовать платы Arduino с поддержкой внешних прерываний. Для примера возьмём контроллер Arduino Uno.

Что понадобится

• 1× Arduino Uno
• 1× Дальномер Roborace HC-SR04
• 1× Соединительные провода «папа-мама»
• 1× Кабель USB

Рекомендуем также обратить внимание на дополнительную плату расширения Trema Shield, которая поможет подключить дальномер к Arduino с помощью соединительных провода «мама-мама».

Схема устройства

Библиотека iarduino_HC_SR04_int позволяет на пин TRIG вешать любой контакт ввода-вывода, а на пин ECHO требует контакт с поддержкой внешнего прерывания. Для примера повесим контакты датчика расстояния TRIG и ECHO на пины контроллера 3 и 2.

  // Назначаем пины датчика расстояния
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_TRIG = 3;
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_ECHO = 2;

Схема устройства с Trema Shield

Программная настройка

• Скачайте и настройте Arduino IDE.
• Скачайте и установите библиотеку iarduino_HC_SR04_int.

Программный код

  // Библиотека для работы с дальномером
  #include <iarduino_HC_SR04_int.h>
  
  // Назначаем пины датчика расстояния
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_TRIG = 3;
  constexpr uint8_t PIN_SENSOR_ECHO = 2;
  
  // Создаем объект для работы с дальномером
  // и передаем в него пины TRIG и ECHO
  iarduino_HC_SR04_int sensor(PIN_SENSOR_TRIG, PIN_SENSOR_ECHO);
  
  void setup(){
    // Открываем Serial-порт
    Serial.begin(9600);
  }
  
  void loop(){
    // Вычисляем расстояние до объекта
    int sensorDistance = sensor.distance();
    // Выводим расстояние в Serial-порт
    Serial.print(sensorDistance);
    Serial.println(" cm"); 
    // Ждём 100 мс
    delay(100);
  }

Результат работы

После прошивки устройства, дальномер будем считывать расстояние до преграды и выводить в консоль.

Габаритный чертёж

Комплектация

• 1× Плата-модуль

Характеристики

• Модель: Ультразвуковой дальномер Roborace HC-SR04
• Напряжение питания Vcc: 3,3–5 В
• Напряжение логических уровней: 3,3–5 В
• Аппаратный интерфейс: 4×PLS
• Программный интерфейс: цифровой сигнал
• Диапазон измерений: 2–400 см
• Погрешность: 0,3 см
• Эффективный угол обзора: 15°
• Размеры: 68,5×23,4×20,4 мм

Ресурсы

• Ультразвуковой дальномер Roborace HC-SR04 в магазине
• Библиотека для Arduino «iarduino_HC_SR04»
• Библиотека для Arduino «iarduino_HC_SR04_tmr»
• Библиотека для Arduino «iarduino_HC_SR04_int»
• Datasheet на формулы и уравнения по дальномеру HC-SR04
• Datasheet на ультразвуковой передатчик AW8T40-16OA00 и приёмник AW8R40-16OA00