Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

Aus HSHL Mechatronik
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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

In dem Projekt wird ein Ultraschall-Sensormodul (HC-SR04) betrieb genommen ebenfalls wird ein LCD-Display über einen iC2 angeschlossen auf dem die Distanz angezeigt wird. Es wird das Arbeitsprinzip von einem HC-SR04 erläutert. Ebenfalls wird beschrieben, wie eine Messung mit Ultraschall Funktioniert und von welchen wesentlich Faktoren diese Abhängt. Die Inbetriebnahme wird mit den Arduino Board UNO durchgeführt. Zu Erläuterung wird ein Ausschnitt vom Seriellen Monitor gezeigt und erläutert welche Rohsignale (RAW) vom HC-SR04 an den Arduino gesendet werden. Ebenfalls wird die Softwareseitige Verarbeitung der Signale erklärt und wie der HC-SR04 mit dem vom Arduino in betrieben werden kann.

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
Messung pro Sekunde max. 50
Messfrequenz
40 Hz
Messkegel
ca. 15° 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

Prinziperklärung

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

Datenblätter

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 Prinzip eines Ultraschallsensormoduls ist ein Laufzeitverfahren. Der HC-SR04 enthält ein Lautsprecher welches einen Ultraschall Impuls aussendet. Dieses Signal wird beim auftreffen auf einen Widerstand ( Ein Physisches Objekt ) reflektiert wie ein Echo. Wenn das Reflektierte Signale zurückkommt wird es rechten Sensor wieder aufgenommen. Um die Distanz zu dem Objekt zu bestimmen wird die Zeit vom Ausgehenden Signal bis zum wieder eintreffen des Echos gemessen. Durch die Schallgeschwindigkeit und die Verstrichene Zeit kann durch eine Berechnung eine Zeit ermittelt werden.

Der Sensor ist Intern so aufgebaut, dass der Lautsprecher Getriggert werde kann und eine Hochfrequentes Signal von 40kHz aussendet wird. Wenn dieses Signal zurückkommt wird dieses Digital aufgenommen. Das Signal an den Arduino ist entweder eine 0 kein Signal oder eine 1 Signal empfangen.



Schaltplan und Steckplatine

Softwarearchitektur

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.

Temperatur Schallgeschwindigkeit [m/s] Schallgeschwindigkeit [km/h]
-50
299,63
1079
-40
306,27
1103
-30
312,77
1126
-20
319,09
1149
-10
325,35
1171
0
331,50
1193
10
337,54
1215
20
343,46
1236
30
349,29
1257
40
254,94
1278
50
360,57
1298


Für trockene Luft Molmasse





Umwelteinflüsse auf die Messung

Umgang mit der Messunsicherheit

Bewertung des Sensors

Vorteile

Nachteile

Alternative

Zusammenfassung

Lernerfolg

YouTube Video

Schwierigkeitsgrad

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
https://elektro.turanis.de/html/prj121/index.html#:~:text=Ultraschallmodul%20HC%2DSR04,-Beschreibung&text=Nach%20Triggerung%20mit%20einer%20fallenden,Messungen%20pro%20Sekunde%20durchgef%C3%BChrt%20werden.
https://arduino-projekte.webnode.at/meine-libraries/ultraschallsensor/




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