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

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, Banana Pi, pcDuino

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

Equipment

Verwendete Software

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Software verwendet:

• Arduino Software IDE 1.8.13
• MATLAB/Simulink 2019a
• 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 der Sonarstation besteht aus dem Anschluss des Ultrasschallsensors und dem Anschluss des Servomotors. Der Servomotor benötigt drei Anschlüsse. Zwei Anschlüsse des Servomotors werden für die Versorgungsspannung, Vcc und Gnd benötigt. Der dritte Anschluss ist der analoge Anschluss des Servomotors um ihn an eine beliebige Position zu verfahren. Es ist wichtig, dass dieser Anschluss mit einem PWM-Pin (Pin 9) verbunden wird.
Der Ultrasschallsensor hat vier Anschlüsse, von denen zwei für die Versorgungsspannung (Vcc und GND). Die anderen zwei Anschlüsse sind der Trigger-Pin und der Echo-Pin. Der Echo-Pin liefert das Messergebnis des Ultraschallsensors und muss deshalb als Input geschaltet werden (Pin 7). Der Trigger-Pin muss als Output geschaltet werden da über ihn die der Messprozess gestartet wird (Pin 6).

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

Umgang mit der Messunsicherheit

Schallgeschwindigkeit in einem bestimmten Medium (Luft) kann die Distanz zum detektierten Objekt errechnet werden.
$Strecke = v_{Luft} \cdot \dfrac {t_{mess}}{2}$

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

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