Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

Autor: Lukas Honerlage
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

In diesem Artikel werden folgenden Punkte abgearbeitet:

• Auswahl eines Primärsensors ---> HC-SR04

• Analyse des Sensors anhand Literaturrecherche

• Analyse des Sensors praktisch

• (Signalvorverarbeitung)

• Bewertung der Sensordaten

• Inbetriebnahme des Abstandssensor: HC-SR04

Einleitung

Der HC-SR04 ist ein Ultraschall-Sensormodul, welches mit Hilfe eines Ultraschallimpulses, berührungslos den Abstand zu einem Objekt messen kann. Das Ultraschallmodul hat einen Arbeitsbereich von 3 cm bis zu 4 m. Es besitzt eine Auflösung von 3 mm.

Technische Übersicht

Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

Eigenschaft	Daten
Spannungsversorgung	VCC 5 V
Stromaufnahme	15 mA
Messbereich	3 cm bis ca. 400 cm
Messintervall	0,3 cm
Messfrequenz	40 Hz
Abmessung (l,b,h)	45 mm x 25 mm x 20 mm
Kompatibel mit	Raspberry Pi, Arduino, pcDuino

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

LCD1602

Pin	Funktion	Einheit
1. Modulgröße	87,0Lx32,0Wx13,0H V	mm
2. Bereich anzeigen	64,5×16,0	mm
3. Anzahl der Zeichen	M16×2 Zeilen	-
4. Character Size	2.96×5.56 V	mm

Equipment

Verwendete Software

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Software verwendet:

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

Verwendete Komponente

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Komponente eingesetzt:

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

Messkette

• Bussystem

Für den Sensor wird kein Bussystem benötigt.

Hardwareaufbau

Schaltung des Bauteils

Der Hardwareaufbau besteht aus dem Anschluss des Ultrasschallsensors und dem LCD-Display. Der HC-SR04 benötigt vier Anschlüsse. Es werden VCC und GND für die Versorgungsspannung benötigt. Die anderen beiden sind für den Trigger Impulse und das Echo Signal. Der Trigger-Pin wird auf Pin 10 am Arduino angeschlossen und wird in der Software als Output-Pin deklariert. Echo-Pin wird auf Pin 11 am Arduino angeschlossen und liefert das Messergebnis vom Ultraschallsensors. In der Software wird das Signal als Input-Pin deklariert.

Das LCD-Display ist fest mit einem LMC1620 IIC verbunden. Dieses Modul erleichtert die Kommunikation mit dem Arduino erheblich. Durch iC2 können die benötigten Pins auf vier reduziert werden. VCC und GND werden für die Spannungsversorgung eingesetzt. Die Anschlüsse Serial Data Line (SDA) und Serial Clock Line (SCL) vom LMC1620 IIC werden für die Kommunikation mit dem Arduino benötigt und an die Analog-Pins A4 und A5 angeschlossen. Das Bord enthält ebenfalls noch ein Potentiometer zum Einstellen der Hintergrundbeleuchtung.

Prinziperklärung Ultraschallmessung

Das Messprinzip des Ultraschallsensormoduls ist ein Laufzeitverfahren. Der Ultraschallsensor strahlt zyklisch einen kurzen, hochfrequenten Schallimpuls aus. Diese Schallwellen pflanzen sich mit Schallgeschwindigkeit in der Luft fort. Wenn nun die Schallwelle auf ein Objekt, im Messfeld des Sensors trifft, wird diese reflektiert. Die wieder beim Sensor eintreffende Schallwelle wird detektiert und die Zeit zwischen dem Aussenden und dem Wiedereintreffen gemessen. Aus der Zeit und der Schallgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium (Luft) kann die Distanz zum detektierten Objekt errechnet werden.
$Strecke = v_{Luft} \cdot \dfrac {t_{mess}}{2}$

Signalverarbeitung

Mathematisches Hilfsmittel

Um Schallgeschwindigkeit zu berechnen ist es wichtig, sich mit den äußeren Gegebenheiten auseinander zu setzten. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom der Elastizität und Dichte und seiner Temperatur. In diesem Versuch wird die Temperatur nicht gemessen. Der Versuch wird durchgeführt in Luft.

Die Schallgeschwindigkeit bei Trockener Luft und einer Temperatur von 20°C betragt 343,5 m/s (1236 km/h). Wir nehmen bei unseren Berechnungen 343,5 m/s als Schallgeschwindigkeit an.

Für trockene Luft Molmasse $M = 0,02896 \dfrac {kg}{mol}$

$C_{Luft} \approx \sqrt{ 1 {,402} \cdot \dfrac {8,3145 \dfrac {J}{mol K} \cdot 293,15K}{0,02896 \dfrac {kg}{mol} }} = 343,5\dfrac {m}{s}$

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

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