Arduino Projekt: Ultraschallsensor Sicherheitssystem mit Buzzer

Abb. 1: Ultraschallsensor Sicherheitssystem

Autor: Justin Frommberger

Ablaufplan

1. Betrachten Sie die Abbildung 1 und lesen sich anschließend die Aufgabenstellung durch.
2. Überprüfe, ob alle Materialien von der Materialliste vorhanden sind.
3. Lesen Sie sich "Vorab wichtig zu wissen" durch.
4. Bauen Sie mit der Abbildung 3 die Schaltung für das Projekt auf.
5. Überprüfe, ob alle benötigten Programme installiert sind.
6. Starten Sie mit der Programmierung vom Projekt.

• Viel Freude und Erfolg bei der Umsetzung Ihres Projektes!

Aufgabenstellung

Entwickeln Sie ein Projekt, mit einem Ultraschallsensor und einem Buzzer.

• Das Ziel besteht darin, ein Sicherheitssystem zu simulieren, das vor Einbrechern warnen soll.
• Desto näher man sich dem Ultraschallsensor nähert, leuchten mehr LEDs auf.
• Bei der roten LED ertönt ein Warnsignal von dem Buzzer.
  

⇒ Für den Fall, dass kein Arduino zur Verfügung steht, kann dieser webbasierter Arduino Emulator verwendet werden. [klicken]

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3
②	1	USB A zu USB B
③	10+	Jumperkabel, männlich/männlich
④	1	Steckbrett
⑤	3	LED beliebige Farbe
⑥	4	Widerstand 120 Ω
⑦	1	Ultraschall Entfernungssensor HC-SR04
⑧	1	Piezo Lautsprecher

Vorab wichtig zu wissen

LED

Abb. 2: LED

• Die LED (Light Emitting Diode) hat zwei Anschlüsse: einen positiven Anschluss (+) und einen negativen Anschluss (-).
• Der positive Anschluss wird als Anode bezeichnet und der negative Anschluss als Kathode, siehe Abb.2.
• Wenn die LED richtig angeschlossen ist und eine ausreichende Spannung anliegt, leuchtet sie auf.
• Wenn nicht, kann es sein, dass + und - vertauscht wurde.
  • In diesem Fall muss die LED umgedreht werden, da dies potenziell zu Schäden führen kann.
    

Beachte, dass LEDs eine begrenzte Vorwärtsspannung haben und eine geeignete Vorwiderstand benötigen.

• Um den Stromfluss zu begrenzen und Schäden durch Überstrom zu vermeiden.

Arduino Uno R3

Der Arduino besitzt unterschiedliche Schnittstellen. Da dieser ein digitaler Mikrocontroller ist, kann er nur  5 Volt ausgeben oder annehmen.
Bei einer konstanten  5 V Spannung ist die LED immer gleich hell. So ist das Ziel, die Spannung zur LED zu reduzieren.

• Dafür wird eine Pulsweitenmodulation (PWM) Schnittstelle benötigt, denn bei den anderen Schnittstellen ist der Wert nicht anpassbar.
  • Die PWM Schnittstellen sind ganz einfach zu erkennen an diesem Zeichen (~)
  • Das Zeichen ist auf dem Arduino bei den digitalen Zahlen zu finden, siehe Abbildung 3.

Steckbrett

Erklärung zum Arbeiten mit einem Steckbrett. [klicken]

Buzzer

Die lange Seite vom Buzzer Pin ist Positiv(+) und kurze Seite vom Buzzer ist Negativ(-).

Ultraschallsensor

Informationen und Aufbau des Sensors. [klicken]

Aufbau Schaltung

Abb.3 Schaltung USS mit Buzzer

Bevor mit der Programmierung begonnen werden kann, muss die Schaltung wie in Abbildung 3 aufgebaut werden.

Wichtig: Die Widerstände befinden sich an der kurzen Seite der LED (Minus).

Programmierung

Benötigtes Programm

Lade Sie die aktuellste Version der Arduino IDE herunter. [klicken]
Beachte, die richtige Version für deinen PC auszuwählen, siehe Abbildung 4.

Abb. 4: ArduinoIDE

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Erstellen der Arduino Datei

Starten Sie das Programm Arduino IDE.
Stelle sicher, dass der Arduino über ein Kabel mit dem Computer verbunden ist.
Sobald das Programm gestartet ist, soll ein neues Projekt geöffnet und anschließend abgespeichert werden.

• Wichtig: Unter jeder Anleitung ist ein Beispiel vorhanden, das durch Klicken auf "Ausklappen" sichtbar wird.

Neues Projekt & Speichern  

⇒ Überprüfe, ob das richtige Board ausgewählt wurde.

Board check  

⇒ Überprüfe, ob der richtige Port ausgewählt wurde.

• Die Port Nummer ist für jede Schnittstelle anderes, beachten Sie den Namen, der in Klammern angegeben ist (Arduino Uno).

Port check  

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Start der Programmierung

Es ist wichtig, die [Programmierrichtlinien] beim Verfassen von Programmiercode zu beachten und einzuhalten.

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Initialisierung (Zuweisung)

Für das Projekt ist es erforderlich, zunächst einige Variablen und Pins zu initialisieren.

1. Pin 9-11 wird den LEDS zugewiesen.
2. Ultraschallsensor, Pin 6 (Echo) und Pin 7 (Trig).
3. Pin 3 Buzzer.
4. Variablen für Lautstärke, Dauer und Entfernung.

[Quelltext 1: USS.ino]

Lösung  

//PINS
const byte TRIG_PIN = 7;
const byte LED_LAMP_RED = 9;
const byte LED_LAMP_YELLOW = 10;
const byte LED_LAMP_GREEN = 11;

const byte ECHO_PIN = 6;
const byte SOUND_BUZZER = 3;

/* Variablen deklarieren */
unsigned int Sound = 500;  // Frequenz von 500 Hertz
unsigned long Dauer;
unsigned long Entfernung;

void setup() 
{

}
void loop() 
{

}

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PINS festlegen

Nachdem Initialisieren der Variable müssen die Pins als OUTPUT oder INPUT deklariert werden.

• Hierfür wird die Funktion pinMode(NAME,OUTPUT); oder pinMode(NAME,INPUT); benötigt.
  

⇒ pinMode();

[Quelltext 2: USS.ino]

Lösung  

void setup() {
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);         // Ist ein Eingang
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);        // Ist ein Ausgang
  pinMode(LED_LAMP_RED, OUTPUT);
  pinMode(LED_LAMP_YELLOW, OUTPUT);
  pinMode(LED_LAMP_GREEN, OUTPUT);
  pinMode(SOUND_BUZZER, OUTPUT);
}

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Ultraschallsensor

Im nächsten Schritt soll der Ultraschallsensor eine Ultraschallwelle für eine bestimmte Zeit freisetzt.
Um das Objekt, was sich in seinem Bereich befindet, zu erfassen.

• Dies lässt sich mit dem TRIG_PIN steuern und über digitalWrite(Name, HIGH); ausführen.
  

⇒ digitalWrite();

[Quelltext 3: USS.ino]

Lösung  

void loop() { 
digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); //Spannung für kurze Zeit vom Trigger-Pin, für ein rauschfreies Signal
delay(5); 
digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);   //Ultraschallwelle senden
delay(10);   
digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);   // Wieder ausschalten
}

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Entfernung und Dauer

Auch wird die Entfernung und die Dauer von der Ultraschallwelle benötigt.
Die Dauer wird mit der Funktion pulseIn(Name,HIGH); bestimmt.

• Um die Entfernung zu messen, benötigt man eine Rechnung, die wie folgt ablaufen soll.
  
• Berechne die Strecke durch 2 multipliziert der Schallgeschwindigkeit = 0.03432.
  

⇒ pulseIn();

[Quelltext 4: USS.ino]

Lösung  

Dauer = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);    //Zählt der Mikrocontroller die Zeit in Mikrosekunden, bis der Schall zum Ultraschallsensor zurückkehrt

//Man teilt zunächst die Zeit durch zwei (um eine Strecke zu berechnen) 
//Den Wert multipliziert man mit der Schallgeschwindigkeit
Entfernung = (Dauer/2) * 0.03432;

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Serieller Monitor

Um später die Werte vom Sensor im Programm ansehen zu können, wird der serielle Monitor benötigt.
Dieser wird im void setup() mit der Funktion: Serial.begin(9600); initialisiert.
⇒ Serial.begin();

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if-Bedingung für LEDs und Buzzer

Im letzten Schritt soll eine if-Bedingung erstellt werden, die dafür sorgt, dass ab einer bestimmten Entfernung die LEDs leuchten.
Zusätzlich soll bei der roten LED der Buzzer einen Ton abspielen.

• Für LEDs: digitalWrite(Name,HIGH/LOW);.
• Für Sound: Sound = 1000; und tone(); oder noTone();.

⇒ tone();
⇒ Serial.print(ln);

[Quelltext 5: USS.ino]

Lösung  

void loop() {
// Trifft zu wenn: Entfernung kleiner als 15 ist! 
if (Entfernung < 15) {                                
  digitalWrite(LED_LAMP_GREEN, HIGH);                // LED Grün geht an
}
else {
  digitalWrite(LED_LAMP_GREEN, LOW);                // Sonst ist die LED Grün aus!
}
  
if (Entfernung < 10) {
  digitalWrite(LED_LAMP_YELLOW, HIGH);
}
else {
  digitalWrite(LED_LAMP_YELLOW, LOW);
}

if (Entfernung < 5) {
  digitalWrite(LED_LAMP_RED, HIGH);
  Sound = 1000;
}
else {
  digitalWrite(LED_LAMP_RED, LOW);
}
  
if (Entfernung > 5 || Entfernung <= 0) {
  Serial.println("Außerhalb der Range");
  noTone(SOUND_BUZZER);
}
else {
  Serial.print(Entfernung);
  Serial.println(" cm");
  tone(SOUND_BUZZER, Sound);
} 
  delay(300);
}

Musterlösung

Sollte Ihr Code nicht ordnungsgemäß funktionieren, überprüfen Sie ihn anhand der Musterlösung.

Lösung Code  

/* PINS */
const byte TRIG_PIN = 7;
const byte LED_LAMP_RED = 9;
const byte LED_LAMP_YELLOW = 10;
const byte LED_LAMP_GREEN = 11;

const byte ECHO_PIN = 6;
const byte SOUND_BUZZER = 3;

/* Variablen deklarieren */
unsigned int Sound = 500;  // Frequenz von 500 Hertz
unsigned long Dauer;
unsigned long Entfernung;

void setup() {
  Serial.begin (9600);             //Serielle Kommunikation starten, damit man sich später die Werte am serial Monitor ansehen kann

  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);         // Ist ein Eingang
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);        // Ist ein Ausgang
  pinMode(LED_LAMP_RED, OUTPUT);
  pinMode(LED_LAMP_YELLOW, OUTPUT);
  pinMode(LED_LAMP_GREEN, OUTPUT);
  pinMode(SOUND_BUZZER, OUTPUT);
}
void loop() {
  
digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); //Spannung für kurze Zeit vom Trigger-Pin, für ein rauschfreies Signal
delay(5); 
digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);   //Ultraschallwelle senden
delay(10);   
digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);    

Dauer = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);    //Zählt der Mikrocontroller die Zeit in Mikrosekunden, bis der Schall zum Ultraschallsensor zurückkehrt

//Man teilt zunächst die Zeit durch zwei (um eine Strecke zu berechnen) 
//Den Wert multipliziert man mit der Schallgeschwindigkeit
Entfernung = (Dauer/2) * 0.03432; 

// Trifft zu wenn: Entfernung kleiner als 15 ist! 
if (Entfernung < 15) {                                
  digitalWrite(LED_LAMP_GREEN, HIGH);                // LED Grün geht an
}
else {
  digitalWrite(LED_LAMP_GREEN, LOW);                // Sonst ist die LED Grün aus!
}
  
if (Entfernung < 10) {
  digitalWrite(LED_LAMP_YELLOW, HIGH);
}
else {
  digitalWrite(LED_LAMP_YELLOW, LOW);
}

if (Entfernung < 5) {
  digitalWrite(LED_LAMP_RED, HIGH);
  Sound = 1000;
}
else {
  digitalWrite(LED_LAMP_RED, LOW);
}
  
if (Entfernung > 5 || Entfernung <= 0) {
  Serial.println("Außerhalb der Range");
  noTone(SOUND_BUZZER);
}
else {
  Serial.print(Entfernung);
  Serial.println(" cm");
  tone(SOUND_BUZZER, Sound);
} 
  delay(300);
}

Lösung serieller Monitor  

Quelle: Link

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