Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

HC-SR04

Autor: Lukas Honerlage
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

In diesem Artikel werden folgenden Punkte abgearbeitet:
Es wird der Ultraschall Abstandssensor HC-SR04 verwendet
Wie funktioniert der Sensor?
Welche Rohsignale liefert der Sensor?
Wie funktioniert die Signalvorverarbeitung
Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert?
Analog-Digital-Umsetzer
Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
Welcher ADU kommt zum Einsatz?
Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen?
Bussystem
Wird ein Bussystem zwischen Sensor und Mikrocontroller eingesetzt?
Wenn ja, wie funktioniert dieses Bussystem?
Digitale Signalverarbeitung
Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
Welche Filter werden angewendet?
Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors.
Bewertung der Sensordaten
Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.

Einleitung

In dem Projekt wird ein Ultraschall-Sensormodul (HC-SR04) in Betrieb genommen. Es wird das Arbeitsprinzip von einem HC-SR04 erläutert. Ebenfalls wird beschrieben, wie eine Messung mit Ultraschall funktioniert und von welchen wesentlichen Faktoren diese abhängt. Die Inbetriebnahme wird mit den Arduino Board UNO durchgeführt. Zu Erläuterung wird ein Ausschnitt des seriellen Monitors gezeigt und erläutert, welche Rohsignale (RAW) vom HC-SR04 an den Arduino gesendet werden. Des Weiteren wird die softwareseitige Verarbeitung der Signale erklärt.

Technische Übersicht

Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

Eigenschaft	Daten[1]
Spannungsversorgung	VCC 5 V
Stromaufnahme	15 mA
Messbereich	3 cm bis ca. 400 cm
Messintervall	0,3 cm
Messung pro Sekunde	max. 50
Messfrequenz	40 Hz
Messkegel	ca. 15°
Abmessung (l,b,h)	45 mm x 25 mm x 20 mm

Pin	Funktion
1. VCC-Pin	5 V
2. Trigger-Pin	TTL-Pegel
3. Echo-Pin	Messergebnis, TTL-Pegel
4. GND	0 V

Hardwareaufbau

Datenblätter

https://www.mikrocontroller.net/attachment/218122/HC-SR04_ultraschallmodul_beschreibung_3.pdf
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B400/ULTRASCHALL%20SENSOR.pdf

Schaltplan und Steckplatine

• Abstandssensor Sensor HC-SR04
• 

  Anschlussbild des Abstandssensor HC-SR04

• 

  Anschlussplan des Abstandssensor HC-SR04

Der Hardwareaufbau besteht aus dem Anschluss des Ultrasschallsensors an den Arduino UNO. Der HC-SR04 benötigt vier Anschlüsse. Es werden VCC und GND für die Versorgungsspannung benötigt. Die anderen beiden sind für die Trigger Impulse und das Echo Signal. Der Trigger-Pin wird auf Pin 12 am Arduino angeschlossen und wird in der Software als Output-Pin deklariert. Der Echo-Pin wird auf Pin 10 am Arduino angeschlossen und liefert das Messergebnis vom Ultraschallsensors. In der Software wird das Signal als Input-Pin deklariert.

Equipment

Verwendete Software

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurden folgende Softwares verwendet:

• Arduino Software IDE 1.8.13
• MATLAB/Simulink 2020b
• Fritzing
• Tortoise SVN

Verwendete Komponente

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurden folgende Komponenten eingesetzt:

• Ultraschall Abstandssensor: HC-SR04
• LCD Display mit I2C Anschluss
• Arduino UNO R3 (AZ-Delivery Edition)

Messkette

Die Analyse der Messkette fängt mit der Betrachtung des Sensors an. Die zweit untenstehenden Bilder Veranschaulichen den Aufbau des HC-SR04 und zeigen die Einzelnen Bauteile auf deren Bedeutung im weiteren verlauf noch näher eingegangen wird. Die Messkette des HC-SR04 dient zur Auswertung des Sensors. In dem Bild ist die Rückseite der Platine mit den beschrifteten Bauteilen abgebildet.

Interner Schaltplan des Moduls

Interner Schaltplan des Moduls

Schaltkreis des HC-SR04

Der Sensor besteht aus drei verschieden Teilen, die im Zusammenspiel eine Ultraschallmessung ermöglichen. Die Recheneinheit stellt der Mikroprozessor dar, welcher mit dem Sender und dem Empfänger verbunden ist. Ebenfalls befinden sich auf dem Board Verstärkerschaltungen und Filter.

Mikrocontroller U1 EM78P153S 8-Bit-Mikroprozessor

Der Mikrocontroller auf dem Board hat verschiedene Aufgaben. Einerseits stellt er die Schnittstelle, in dieser Arbeit die Verbindung zum Arduino über die Trig- und Echo-Pins. Andererseits koordiniert er das Timing eines gegenphasigen Burstsignals, um einen Ping zu erzeugen und den Empfänger zeitweise auszuschalten, um Fehler zu vermeiden. Ebenfalls empfängt der das vorverarbeitete Signal vom Empfänger.

Sender U3

Der Sender U3 verarbeitet die eingehenden Signale vom Mikroprozessor und verstärkt das Signal, um den Ultraschallsender in Schwingung zu versetzen.

Empfänger U2

Das Empfangen erfolgt über vier Operationsverstärker. Die Kondensatoren C1, C3 und C4 sorgen sich um die Wechselstromkopplung zwischen den drei Stufen. Die erste Stufe (U2D, R1 und R2) ist ein invertierender Verstärker. Die zweite Stufe (U2C, C2, C3 und R5) ist ein Bandpassfilter. Bei der dritten Stufe handelt es sich ebenfalls um einen Verstärker. Die vierte Operationsverstärkerstufe ist ein Hysteresekomparator mit variabler Schwelle und Ausgangsschalter.

Ultraschallsender

UST-40T Ultraschallsender/-empfänger, Ø 16mm, H 12mm

Offene Struktur des Ultraschallsensors

Bei dem Sensor handelt es sich um einen Mehrfachvibrator der Schallwellen erzeugen und aufnehmen kann. Der Sensor hat ein Außengehäuse, bei dem HC-SR04 besteht dies aus Aluminium. Alternativ gibt es Sensoren die ein Plastikgehäuse aufweisen. Innerhalb des Sensors ist auf einer Metallplatte eine trichterartige Metallplatte befestigt ist. Diese sendet den Ultraschall gezielt nach vorne. Unter dem Trichter befindet sich der eigentliche Mehrfachvibrator. Dieser besteht aus einer Kombination von Resonator und Vibrator. Hierbei handelt es sich um zwei aufeinanderliegende Platten. Die obere Platte besteht aus Metall, die darunterliegende ist eine piezoelektrische Keramikplatte. Jeder dieser Platten ist mit einem Anschluss-Pin verbunden und kann auf diese Weise angeregt werden. Wenn an den Pins eine elektrische Spannung angelegt wird, entsteht eine mechanische Verzerrung abhängig von der Spannung und der angelegten Frequenz dieser Effekt wird Piezoeffekt genannt.





Ebenfalls ist der Sensor, wenn er in Schwingungen gebracht wird, in der Lage einen elektrischen Strom zu erzeugen. Durch diesen Effekt erzeugen die reflektierten Signale einen sehr kleinen Strom. Da der generierte Strom nur sehr gering ist, muss dieses Signal deutlich verstärkt werden, um ihn mit dem Microcontroller zu verarbeiten. Durch die benötigte Verstärkung gibt es auf dem HC-SR04 zwei solcher Sensoren. Einen Sensor, der angeregt wird, um das Ultraschallsignal zu erzeugen und der andere Sensor zur Wiederaufnahme des Signals.[2]

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Prinziperklärung Ultraschallmessung

Das Prinzip eines Ultraschallsensormoduls ist ein Laufzeitverfahren. Der HC-SR04 enthält ein Ultraschallsender welches einen Ultraschall Impuls aussendet. Dieses Signal wird beim auftreffen auf einen Widerstand ( Ein Physisches Objekt ) reflektiert wie ein Echo. Wenn das Reflektierte Signale zurückkommt wird es vom (HC-SR04 rechten) Sensor wieder aufgenommen. Um die Distanz zu dem Objekt zu bestimmen wird die Zeit vom Ausgehenden Signal bis zum wieder eintreffen des Echos gemessen der Microcontroller misst die Zeit vom der ausgesandten steigende Flanke bis zur wieder eintreffenden steigenden Flanke vom Sensor der das Signal Empfängt. Durch die Schallgeschwindigkeit und die Verstrichene Zeit kann durch eine Berechnung eine Distanz ermittelt werden. Da Schallwellen die Strecke einmal hin und wieder zurück zurücklegen müssen muss die gemessene Zeit noch durch zwei gemessen werden.[3]

Timing des HC-SR04

Prinzip der Ultraschallmessung mit dem HC-SR04

Um eine Messung durchzuführen muss der Trigger-Eingang für 10µs (0,00001s) auf High gesetzt werden. Im Anschluss sendet der Sensor acht kurze Rechteckwelle von 40kHz in ungefähr 200µs (0,0002s) direkt danach wird der Echo Pin auf High gesetzt das Signal bleibt solange auf High bis das reflektierende Signal wieder empfangen wird. Wenn kein Reflektierendes Signal zurückkommt wird nach 170ms (0,17s) trotzdem wieder auf Low gesetzt. Die Messung wird als gescheitert betrachtet.[4]

Prinzipien der Entfernungsmessung

Signale des HC-SR04 im Oszilloskop

Im Oszilloskop können die Signale die vom HC-SR04 gesendet werden sichtbar gemacht werden. Hier ist schön zu erkennen, wie am Anfang das Signal kurz auf High gesetzt wird. Im Anschluss erfolgt dann der Burst von 8 x 40 kHz-Impulsen. Ebenfalls ist am Echo Ausgang zu sehen, das nach den 8 Impulsen der Ausgang auf High gesetzt wird. Wenn das erste Signal zurückkommt fällt die Flanke wieder. Dieses Prinzip findet beim Konstanten Messen in einer Schleife statt.[5]

Prinzipien der Entfernungsmessung im Oszilloskop

Softwarearchitektur

Auswertung der Messwerte des HC-SR04

Das auslesen des Sensors ist nicht sehr umfangreich, da ein großer Teil vom Sensor direkt übernommen wird. Es muss lediglich festgelegt werden, wann das Signal ausgesendet wird. Das aussenden geschieht Digital, indem der Trigger-Pin für 5ms auf High gesetzt wird und danach wird auf Low. Das auslesen des Echo Pin erfolgt ebenfalls Digital. In der Arduino IDE gibt es bereits eine Funktion, in der die Zeit gemessen wird wie lange ein Pin auf High gesetzt ist. Durch diese Funktion wird die Zeit des gemessen wie lange der Echo-Pin auf High ist. Dieser Wert wird im Anschluss umgerechnet in die Distanz in cm. Um Messunsicherheit auszuschließen, wird der Wert immer auf eine ganze Zahl gerundet. Das errechnete Ergebnis wird im Anschluss in dem Seriellen Monitor der Arduino IDE ausgegeben. Dieser Ablauf erfolgt dauerhaft in einer Schleife.

Signalverarbeitung

Messungen am Empfänger Sensor

Um einen Rückschluss darüber ziehen zu können, ob es Analog möglich ist über den eingehenden Strom eine Distanz zu ermitteln, wurde an den HC-SR04 an den Pins des Ultraschallempfänger jeweils ein Kabel angelötet. Aus den Ermittelten Werten kann festgestellt werden, dass in kurzer Distanz noch ein Unterschied festgestellt werden kann, diese Werte schwanken aber trotz gleicher Distanz. Eine Analoge Entfernungsmessung ist damit nicht möglich.

Distanz in [cm]	Spannung in [mA]
5	0,1-0,3
10	0,1-0,2
50	0,1-0,2
100	0,1
150	0,1
200	0,1
250	0,1

Analog-Digital-Umsetzer

Um trotzdem eine Messung durchführen zu können, werden die niedrige Spannungen Verstärkt und gefilterte. Im dem Mikroprozessor EM78P153 wird dieses Signal im Anschluss in ein Digitales 5 Volt High oder Low Signal umgewandte. Was im Anschluss an den Arduino übermittelt wird.

Umwelteinflüsse auf die Messung

Um Schallgeschwindigkeit zu berechnen ist es wichtig, sich mit den äußeren Gegebenheiten auseinander zu setzten. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom der Elastizität, Dichte und der Temperatur. Um eine Exakte Messungen bei Unterschiedlichen Umweltbedingungen durchzuführen muss konstant die Temperatur, höhe vom Meeresspiegel und die Luftfeuchte gemessen werden. In der Atmosphäre nimmt die Schallgeschwindigkeit mit der Höhe ab. Mit diesen Werten kann die Momentane Schallgeschwindigkeit Berechnet werden unter Berücksichtigung der äußeren Umwelteinflüsse. Bei dem HC-SR04 wird keine Messung der äußeren Einflüsse durchgeführt. Alle Versuche sind in einem geschlossenen Raum durchgeführt so dass mit einer Schallgeschwindigkeit von 343,5 m/s gerechnet wird.

Übersicht der Schallgeschwindigkeit bei Temperatur

Temperatur [°C]	Temperatur [K]	Schallgeschwindigkeit [m/s]	Schallgeschwindigkeit [km/h]
-50	223,15	299,63	1079
-40	233,15	306,27	1103
-30	243,15	312,77	1126
-20	253,15	319,09	1149
-10	263,15	325,35	1171
0	273,15	331,50	1193
10	283,15	337,54	1215
20	293,15	343,46	1236
30	303,15	349,29	1257
40	313,15	254,94	1278
50	323,15	360,57	1298

Die Schallgeschwindigkeit bei Trockener Luft und einer Temperatur von 20°C betragt 343,5 m/s (1236 km/h). Bei der Programmierung des Sensors wird ein Schallgeschwindigkeit von 343,5 m/s als Grundlage zum bestimmen der Entfernung genommen.

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Lautstärke berechnen

Die erzeugte Lautstärke wird direkt vom Sensor übernommen und kann von außen nicht beeinflusst werden. Bei dem Ultraschallsenders lässt sich die Lautstärke mit der Formel des Schalldruckpegel berechnen.

(S.P.L.) =Sound pressure level
$P$= Schalldruck des Sensors
$Po$= Referenzschalldruck

$SPL=20log \dfrac {P}{Po} (dB)$

Die Laustärke des Sensors beträgt auf dem HC-SR04 100db.
Nach 0,5 Meter sind es nur noch 80db. [6]

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Berechnung der Schallgeschwindigkeit

Um eine exakte Messung der Schallgeschwindigkeit durchzuführen müssen alle Umwelteinflüsse die sich auf die Geschwindigkeit der Schalls Auswirken betrachtet werden. Die wesentliche Geschwindigkeit hängt von der

Für trockene Luft Molmasse in Meereshöhe $M = 0,02896 \dfrac {kg}{mol}$
Für das zweiatomige Gas Sauerstoff $O_{2}$ $\kappa = \tfrac{7}{5} = 1{,}40$

$R$ ist die universelle Gaskonstante in Joule pro Kelvin mal Mol
$R = 8,31448 \dfrac {J}{K \cdot mol }$

$K$ ist die Temperatur in Kelvin bei 20°C
$K =293,15 K$

$C_{Luft} \approx \sqrt{ 1 {,40} \cdot \dfrac {8,3145 \dfrac {J}{mol K} \cdot 293,15K}{0,02896 \dfrac {kg}{mol} }} = 343,5\dfrac {m}{s}$

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Umgang mit der Messunsicherheit

Um die Umrechnung einfach zu Gestaltung gibt es eine Näherungs Formel, die mit einer Genauigkeit von 99,8% den Messbereich von -20°C bis 40°C abbildet. Da bei in unserm Sensor nur auf cm runden ist die Messunsicherheit von 0,2% zu vernachlässigen. Was nicht zu vernachlässigen ist, ist die Temperatur. Bei 0°C bis +20°C entsteht ein Messunsicherheit von 3,49% von -20°C bis 20°C entsteht sogar ein Messunsicherheit von 6,99%. Bei genauen Messung bei großen Temperatur Schwankungen sollten eine Temperatur Messung in die Berechnung mit einfließen. Untenstehende Tablle verdeutlicht die Laufzeit bei unterschiedlicher Temperatur

$C_{Luft} \approx ( 331{,}5 + 0{,}6\,\vartheta/{}^\circ\mathrm{C} ) \frac{\mathrm{m}}{\mathrm{s}}$

Distanz zum Objekt [cm]	Laufzeit in [ms] bei 20°C	Laufzeit in [ms] bei 0°C	Laufzeit in [ms] bei -20°C
2	0,1164	0,1206	0,1251
5	0,2911	0,3016	0,3129
10	0,5822	0,6033	0,6259
25	1,4556	1,5082	1,5649
50	2,9112	3,0165	3,1289
100	5,8224	6,0331	6,2597
150	8,7336	9,0497	9,3896
200	11,6448	12,0663	12,5195
250	14,5560	15,0829	15,6494
300	17,4672	18,0995	18,7793

Bewertung des Sensors

Vorteile

Die Vorteile des Sensors sind, dass er für unter 5 Euro zu bekommen ist. Für den Preis bietet der Sensor eine gute Möglichkeit, den Abstand von 3 cm bis 250cm auf 1 cm genau zu bestimmen. Ebenfalls liegt der Vorteil darin, dass der Sensor einen großenteil des Messens selbständig übernimmt. Hierdurch ist er Ressourcen sparend beim Microcontroller.

Alternative

Bei den Ultraschallsensoren gibt es noch weiter Unterschiede. Spezifisch dem Anwendungsfall muss betrachtetet werden, ob die Eigenschafen des Sensors ausreichen. Der AJ-SR04M kann z.B. eine längere Distanz messen aber erst ab einer Reichweite von 0,25 Metern. Ebenfalls spielt die Bauform, Langlebigkeit und Preis eine Wichtige Rolle bei der Auswahl des Richtigen Sensors.

UST-40T LED Abstandssensor GP2-1080K

AJ-SR04M

Sensor	Spezifikationen[7]
Technologie	Ultraschall
Mindestbereich (m)	0,25m
Maximale Reichweite (m)	5m
Genauigkeit	+/- 1%
Typische Aktualisierungsrate (Hz)	40 kHz
Eingangsspannung	5,0V
Max. Dauerstromverbrauch (mA)	30,0mA
Schnittstellen	Digital

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Um die Entfernung zu messen gibt es noch eine ganze Reihe an Alternativen. Es besteht z.B. die Möglichkeit die Entfernung mit LED, LiDAR oder VCSEL Technologie zu messen. Ebenfalls muss hier der Anwendungsfall betrachtet werden da die Sensoren sehr Unterschiedliche Eigenschaften besitzen.

UST-40T LED Abstandssensor GP2-1080K

Sharp GP2Y0A21YK0F

Sensor	Spezifikationen[8]
Technologie	LED
Mindestbereich (m)	0,10m
Maximale Reichweite (m)	0,80m
Genauigkeit	+/- 1%
Typische Aktualisierungsrate (Hz)	26Hz
Wellenlänge (Licht) (nm)	850 nm
Eingangsspannung	4,5V - 5,5V
Max. Dauerstromverbrauch (mA)	30,0mA
Schnittstellen	Analog

UST-40T LED Abstandssensor GP2-1080K

MINI-S

Sensor	Spezifikationen[9]
Technologie	LIDAR
Mindestbereich (m)	0,1m
Maximale Reichweite (m)	12m
Genauigkeit	+/- 1%
Typische Aktualisierungsrate (Hz)	26Hz
Wellenlänge (Licht) (nm)	850 nm
Eingangsspannung	5,0V
Max. Dauerstromverbrauch (mA)	30,0mA
Schnittstellen	Analog

UST-40T LED Abstandssensor GP2-1080K

MINI-S

Sensor	Spezifikationen[10]
Technologie	VCSEL
Mindestbereich (m)	0,1m
Maximale Reichweite (m)	2m
Auflösung (mm)	1mm
Genauigkeit	+/- 1%
Typische Aktualisierungsrate (Hz)	10Hz
Wellenlänge (Licht) (nm)	850 nm
Eingangsspannung	5,0V
Max. Dauerstromverbrauch (mA)	15,0mA
Schnittstellen	IC2

Zusammenfassung

Zusammenfassend ergibt der Sensor ein gutes Gesamtpaket ab. Er kann zuverlässig Ultraschallwellen auf eine Entfernung von 3-250 cm senden und Empfangen. Auf die Entfernung Reflektierenden Schallwellen sind stark genug den Ultraschallempfänger in Schwingung zu bringen so das ein messbares Signal entsteht. Durch die Interne Signalverarbeitung auf dem Sensor ist Sensor sehr einfach einzusetzen. Es Muss lediglich ein Startimpuls von 3,3V - 5V gesendet werden und die Zeit gemessen werden, wie Langer sich der EchoPin auf High befindet. Hierrüber kann dann durch eine Einfache Umrechnung die Distanz berechnet werden. Der Umgang mit den Messfehler muss bei diesem Sensor extern betrachtet werden. Auftretende Fehler können mit einer Temperatur Messung und diesen Wert in der Formel ergänzt behoben werden.

Quellenverzeichnis

https://www.mikrocontroller.net/attachment/218122/HC-SR04_ultraschallmodul_beschreibung_3.pdf
http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/electronics.php
http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/HC-SR04-cct.pdf
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/SEN-US01-DATASHEET.pdf
https://www.sunfounder.com/learn/sensor-kit-v2-0-for-arduino/lesson-1-display-by-i2c-lcd1602-sensor-kit-v2-0-for-arduino.html
https://www.mouser.com/pdfdocs/DFR0464Datasheet.pdf
https://elektro.turanis.de/html/prj121/index.html#:~:text=Ultraschallmodul%20HC%2DSR04,-Beschreibung&text=Nach%20Triggerung%20mit%20einer%20fallenden,Messungen%20pro%20Sekunde%20durchgef%C3%BChrt%20werden.
https://arduino-projekte.webnode.at/meine-libraries/ultraschallsensor/
https://www.rahner-edu.de/mikrocontroller/prop-sensoren-et-al/ultraschallsensor/
https://www.exp-tech.de/blog/wiki-entfernungsmessung/

3. https://elektro.turanis.de/html/prj121/index.html

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