Arduino Projekt: Ultraschallsensor Sicherheitssystem mit Buzzer

Abb. 1: Ultraschallsensor Sicherheitssystem

Autor: Justin Frommberger

Ablaufplan

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

Benötigte Materialien

Tabelle 1: Materialliste


Nr.	Anz.	Beschreibung
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

Beachte beim Arbeiten mit der LED, die Anode und Kathode nicht zu vertauschen.
In die Anode fließt der Strom hinein (lange Seite), danach fließt der Strom wieder durch die Kathode hinaus (kurze Seite) siehe Abb. 2.
Wenn die LED am Ende des Projektes nicht leuchtet, wurde dies vertauscht, einfach umdrehen und sie leuchtet!

Arduino Uno R3

Der Arduino besitzt unterschiedliche Schnittstellen, weil der Arduino 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.
Bei einem geringen PWM-Wert (0 bis 255) ist das 5 V Signal kaum noch vorhanden und bei einem hohen PWM-Wert liegen 5 V durchgehend am Pin an.
Durch die PWM Schnittstelle kann nun die LED unterschiedlich hell leuchten, da die Spannung (Volt) anpassbar ist.
- 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, siehe: [klicken]

Aufbau Schaltung

In Abb. 3 wird die Schaltung für das Projekt "Ultraschallsensor Sicherheitssystem mit Buzzer" dargestellt.

Programmierung

Schritt 1
Erstellen der ersten Arduino Datei. (Link zum Tutorial)

Schritt 2

Kenntnisse in den Programmierrichtlinien für die Erstellung von Software. (Link)
Grundkenntnisse vom Projekt "Pulsierende LED" verstanden haben. (Link)
Grundkenntnisse für das Projekt "Arduino LED Würfel" verstanden haben. (Link)
Grundkenntnisse für das Projekt "Ultraschallsensor Sicherheitssystem mit Buzzer" verstehen. (Link)

Schritt 3
Nachdem die Schritte 1 und 2 abgeschlossen sind, kann mit der Programmierung des Projektes gestartet werden.

1) Initialisierung
Nachdem das Projekt aufgebaut ist, kann mit der Programmierung begonnen werden.
Zuerst müssen die verwendeten Schnittstellen am Arduino initialisiert werden.
Hierfür wird zusätzlich eine neue Methode verwendet, siehe Const Grundkenntnisse.
Tipp: Initialisiert werden müssen, LEDs, Buzzer, Ultraschallsensor und die internen Timer und Variablen.

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() 
{
Später
}
void loop() 
{
Später
}

2) pinMode()
Nachdem Initialisieren folgt das Festlegen der pinMode() Funktion für die OUTPUTS und INPUTS.
Hierfür wird die Funktion pinMode(NAME,OUTPUT); oder pinMode(NAME,INPUT); benötigt.

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);
}

3) Ultraschallsensor
Der nächste Schritt soll der Ultraschallsensor eine Ultraschallwelle für eine gewisse Zeit lossenden.
Dies lässt sich über den trigerPin und digitalWrite(Name, HIGH); umsetzen.

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
}

3.1) Entfernung und Dauer
Nun muss noch die Entfernung und die Dauer von der Ultraschallwelle bestimmt werden.
Die Dauer wird mit der Funktion pulseIn(Name,HIGH); bestimmt.
Um die Entfernung zu messen, benötigt man eine Rechnung, die wie folgt ablaufen soll.
Zurechnen ist die Strecke von einem Weg mal die Schallgeschwindigkeit = 0.03432.

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;

4) 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.

5) If-Verzweigung für LEDs und Buzzer
Im letzten Schritt soll eine If-Verzweigung erstellt werden, die dafür sorgt, dass ab einer bestimmten Entfernung die LEDs leuchten.
Zusätzlich soll bei der roten LED der Buzzer einen Ton abspielen.
Tipp: digitalWrite(Name,HIGH/LOW); sound = Wert; tone(); noTone();

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);
}

Schritt 4

Nach dem Beenden von Schritt 3, kann nun das Ergebnis mit der Musterlösung verglichen werden.

Musterlösung

Quelle: Link

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

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Arduino Projekt: Ultraschallsensor Sicherheitssystem mit Buzzer

Inhaltsverzeichnis

Ablaufplan

Aufgabenstellung

Benötigte Materialien

Vorab wichtig zu wissen!

LED

Arduino Uno R3

Steckbrett

Buzzer

Ultraschallsensor

Aufbau Schaltung

Programmierung

Musterlösung

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