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. Überprüfen Sie, 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. Überprüfen Sie, ob alle benötigten Programme installiert sind.
6. Starten Sie mit der Programmierung vom Projekt.

Aufgabenstellung

Entwickeln Sie ein Projekt mit einem Ultraschallsensor und einem Buzzer.

• Das Ziel besteht darin, ein Sicherheitssystem zu simulieren, das vor Einbrechern warnen soll.
• Je näher Sie sich dem Ultraschallsensor nähern, desto mehr LEDs leuchten auf.
• Die grüne LED leuchtet zuerst, gefolgt von der gelben LED. Sobald sich der Gegenstand direkt vor dem Sensor befindet, leuchtet die rote LED auf.
• Bei der roten LED ertönt ein Warnsignal von dem Buzzer.
  

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

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste

Nr.	Anz.	Beschreibung	Bild
①	1	Funduino Arduino UNO R3
②	1	Typ 2
③	10+	Jumperkabel, männlich/männlich
④	1	Steckbrett
⑤	3	LED Rot, Grün und Gelb
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 Abbildung 2).
• Wenn die LED richtig angeschlossen ist und eine ausreichende Spannung anliegt, leuchtet sie auf.
• Wenn nicht, kann es sein, dass + und - vertauscht wurde. Dies kann zu potenziellen Schäden führen.
  

Beachten Sie, dass LEDs eine begrenzte Vorwärtsspannung haben und einen geeignete Vorwiderstand benötigen.

• Zur Begrenzung des Stromflusses und Vermeidung von Schäden durch Überstrom

Arduino Uno R3

Der Arduino besitzt unterschiedliche Schnittstellen. Er kann nur  5 Volt ausgeben oder annehmen.
Die  5 V können über eine PWM Schnittstelle angepasst werden.

Steckbrett

Erklärung zum Arbeiten mit einem Steckbrett [klicken]

Buzzer

Die lange Seite vom Buzzer Pin ist Positiv(+).
Die 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

Laden Sie die aktuellste Version der Arduino IDE herunter. [klicken]
Beachten Sie, 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.
Sobald das Programm gestartet ist, öffnen Sie ein neues Projekt und speichern es anschließend.
Stellen Sie sicher, dass Ihr Arduino über ein Kabel mit dem Computer verbunden ist.

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

Neues Projekt & Speichern  

⇒ Überprüfen Sie, ob das richtige Board ausgewählt wurde.

Board check  

⇒ Überprüfen Sie, ob der richtige Port ausgewählt wurde.

• Die Port Nummer ist für jede Schnittstelle anders, 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 Programmieren einzuhalten.

Wenn Sie Fragen zur Programmierung haben, finden Sie die Antworten in den [Grundkenntnissen].

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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. Der Ultraschallsensor erhält die Pins 6 (Echo) und Pin 7 (Trig).
3. Dem Buzzer wird der Pin 3 zugeordnet.
4. Variablen für die 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 freisetzen.
Damit wird das Objekt, was sich in dem Bereich befindet, erfasst.

• 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, benötigen Sie eine Rechnung, die wie folgt abläuft:
  
• Berechnung: Dauer geteilt durch 2, multipliziert mit  0.03432 ms (Schallgeschwindigkeit).
  

⇒ pulseIn();

[Quelltext 4: USS.ino]

Lösung  

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

//Teilen Sie zunächst die Zeit durch zwei (um eine Strecke zu berechnen) 
//Den Wert multiplizieren Sie 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: tone(); oder noTone();.

⇒ tone();
⇒ Serial.print(ln);
⇒ if-Bedingung
[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);
 }
 else 
 {
  digitalWrite(LED_LAMP_RED, LOW);
 }
  
 if (entfernung > 5 || entfernung <= 0) 
 {
  Serial.println("Außerhalb der Reichweite");
  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 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);
 }
  else 
 {
  digitalWrite(LED_LAMP_RED, LOW);
 }
  
 if (entfernung > 5 || entfernung <= 0) 
 {
  Serial.println("Außerhalb der Reichweite");
  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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