Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

HC-SR04

Autor: Lukas Honerlage
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

In diesem Artikel werden folgenden Punkte abgearbeitet:
Es wird der Ultraschall Abstandssensor HC-SR04 verwendet
Wie funktioniert der Sensor?
Welche Rohsignale liefert der Sensor?
Wie funktioniert die Signalvorverarbeitung
Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert?
Analog-Digital-Umsetzer
Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
Welcher ADU kommt zum Einsatz?
Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen?
Bussystem
Wird ein Bussystem zwischen Sensor und Mikrocontroller eingesetzt?
Wenn ja, wie funktioniert dieses Bussystem?
Digitale Signalverarbeitung
Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
Welche Filter werden angewendet?
Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors.
Bewertung der Sensordaten
Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.

Einleitung

In dem Projekt wird ein Ultraschall-Sensormodul (HC-SR04) in betrieb genommen. Ebenfalls wird ein LCD-Display über die Schnittstelle 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. Des Weiteren 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

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

Die Messkette des HC-SR04. In dem Bild ist die Rückseite der Platine zu erkennen mit den Beschrifteten Bauteilen.

Interner Schaltplan des Moduls

Die Messkette des HC-SR04. In dem Bild sind die Schaltung und die Bauteile zu erkennen.

Interner Schaltplan des Moduls

Schaltkreis des HC-SR04

Der Sensor besteht aus drei verschieden Teilen, die im Zusammenspiel eine Ultraschallmessung möglich ermöglichen. Die Recheneinheit stellt der Mikroprozessoren der mit dem Sender und dem Empfänger verbunden ist. Ebenfalls befinden sich auf dem Board Verstärkerschaltungen und Filter.

Mikrocontroller U1 EM78P153S 8-Bit-Mikroprozessor

Der Mikrocontroller auf dem Board hat verschiedene Aufgaben. Einerseits stellt er die Schnittstelle, in dieser Arbeit die Verbindung zum Arduino über die Trig- und Echo-Pins. Des weiteren koordiniert er das Timing ein gegenphasigen Burstsignal, um einen Ping zu erzeugen und Schaltete den Empfänger Zeitweise aus um Fehler zu Vermeiden. Ebenfalls empfängt der das Vorverarbeitete Signal vom Empfänger.

Sender U3

Der Sender U3 verarbeitet die die eingehenden Signale vom Mikroprozessor und Verstärkt das Signal um den Lautsprecher US2 anzutreiben.

Empfänger U2

Bei dem Empfänger handelt es sich um einen Quad-Operationsverstärker-IC LM324. Das Empfangen erfolgt über vier Operationsverstärker. Die Kondensatoren C1, C3 und C4 sorgen sich um die Wechselstromkopplung zwischen den drei Stufen. Die erste Stufe (U2D, R1 und R2) ist ein invertierender Verstärker. Die zweite Stufe (U2C, C2, C3 und R5) ist ein Bandpassfilter. Bei der dritten Stufe Handelt es sich ebenfalls um ein Verstärker. Die vierte Operationsverstärkerstufe ist ein Hysteresekomparator mit variabler Schwelle und Ausgangsschalter.

Hardwareaufbau

Datenblätter

https://www.mikrocontroller.net/attachment/218122/HC-SR04_ultraschallmodul_beschreibung_3.pdf
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/B400/ULTRASCHALL%20SENSOR.pdf

Schaltplan und Steckplatine

• Abstandssensor Sensor HC-SR04
• 

  Anschlussbild des Abstandssensor HC-SR04

• 

  Anschlussplan des Abstandssensor HC-SR04

Der Hardwareaufbau besteht aus dem Anschluss des Ultrasschallsensors an den Arduino UNO. 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 12 am Arduino angeschlossen und wird in der Software als Output-Pin deklariert. Der Echo-Pin wird auf Pin 10 am Arduino angeschlossen und liefert das Messergebnis vom Ultraschallsensors. In der Software wird das Signal als Input-Pin deklariert.

Ultraschallsender

UST-40T Ultraschallsender/empfänger, Ø 16mm, H 12mm

Offene Struktur des Ultraschallsensors

Bei dem Sensor handelt es sich um einen Mehrfachvibrator der Schallwellen erzeugen und Aufnehmen kann. Der Aufbau des Sensors ist, dass außen rum ein Gehäuse ist dieses ist beim HC-SR04 aus Aluminium, es gibt aber auch welche mit Plastikgehäuse. Das Aufbau von innen ist so, dass oben auf einer Metallplatte eine Trichterartige Metallplatte befestigt ist. Dieser Trichter Sendet den Ultraschall gezielt nach vorne. Unter dem Trichter befindet sich der eigentliche Mehrfachvibrator. Dieser besteht aus einer Kombination von Resonator und Vibrator. Hierbei handelt es sich um um zwei Platten die aufeinander liegen. Die obere Platte ist aus Metall und die darunterliegend ist eine Piezoelektrisch Keramikplatte. Jeder dieser Platten ist mit einem Anschluss Pin verbunden und kann so angeregt werden. Wenn an den Pins eine Elektrische Spannung angelegt wird entsteht eine mechanische Verzerrung anhängig von der Spannung und der angelegten Frequenz.



Ebenfalls ist der Sensor in der Lage wenn er in Schwingung gebracht wird, ein Elektrischen Strom zu erzeugen. Durch diesen Effekt erzeugen die Reflektierten Signale einen sehr kleinen Strom. Da der generierte Strom nur sehr gering ist, muss dieses Signal deutlich verstärkt werden um ihn mit dem Microcontroller zu verarbeiten. Durch die benötigte Verstärkung gibt es auf dem HC-SR04 zwei solcher Sensoren. Ein Sensor der angeregt wird um das Ultraschall Signal zu erzeugen und der andere um das Signal wieder aufzunehmen.

Prinziperklärung Ultraschallmessung

Das Prinzip eines Ultraschallsensormoduls ist ein Laufzeitverfahren. Der HC-SR04 enthält ein Ultraschallsender 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 vom (HC-SR04 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 der Microcontroller misst die Zeit vom der ausgesandten steigende Flanke bis zur wieder eintreffenden steigenden Flanke vom Sensor der das Signal Empfängt. Durch die Schallgeschwindigkeit und die Verstrichene Zeit kann durch eine Berechnung eine Distanz ermittelt werden. Da Schallwellen die Strecke einmal hin und wieder zurück zurücklegen müssen muss die gemessene Zeit noch durch zwei gemessen werden.

Timing des HC-SR04

Prinzip Erklärung Ultraschallmessung mit dem HC-SR04

Um eine Messung durchzuführen muss der Trigger-Eingang für 10µs (0,00001s) auf High gesetzt werden. Im Anschluss sendet der Sensor acht kurze Rechteckwelle von 40kHz in ungefähr 200µs (0,0002s) direkt danach wird der Echo Pin auf High gesetzt das Signal bleibt solange auf High bis das reflektierende Signal wieder empfangen wird. Wenn kein Reflektierendes Signal zurückkommt wird nach 170ms (0,17s) trotzdem wieder auf Low gesetzt. Die Messung wird als gescheitert betrachtet.

Prinzipien der Entfernungsmessung

Im Oszilloskop können die Signale die vom HC-SR04 gesendet werden sichtbar gemacht werden. Hier ist schön zu erkennen, wie am Anfang das Signal kurz auf High gesetzt wird. Im Anschluss erfolgt dann der Burst von 8 x 40 kHz-Impulsen. Ebenfalls ist am Echo Ausgang zu sehen, das nach den 8 Impulsen der Ausgang auf High gesetzt wird. Wenn das erste Signal zurückkommt fällt die Flanke wieder. Dieses Prinzip findet beim Konstanten Messen in einer Schleife statt.

Prinzipien der Entfernungsmessung im Oszilloskop

Softwarearchitektur

Datei:Auswertung der Messwerte des HC-SR04.png

Auswertung der Messwerte des HC-SR04

Das auslesen des Sensors ist nicht sehr umfangreich, da ein großer Teil vom Sensor direkt übernommen wird. Es muss lediglich festgelegt werden, wann das Signal ausgesendet wird. Das aussenden geschieht Digital, indem der Trigger-Pin für 5ms auf High gesetzt wird und danach wird auf Low. Das auslesen des Echo Pin erfolgt ebenfalls Digital. In der Arduino IDE gibt es bereits eine Funktion, in der die Zeit gemessen wird wie lange ein Pin auf High gesetzt ist. Durch diese Funktion wird die Zeit des gemessen wie lange der Echo-Pin auf High ist. Dieser Wert wird im Anschluss umgerechnet in die Distanz in cm. Um Messunsicherheit auszuschließen, wird der Wert immer auf eine ganze Zahl gerundet. Das errechnete Ergebnis wird im Anschluss in dem Seriellen Monitor der Arduino IDE ausgegeben. Dieser Ablauf erfolgt dauerhaft in einer Schleife.

Signalverarbeitung

Messungen am Empfänger Sensor

Um einen Rückschluss darüber ziehen zu können, ob es Analog möglich ist über den eingehenden Strom eine Distanz zu ermitteln, wurde an den HC-SR04 an den Pins zum Empfänger Sensor jeweils ein Kabel angelötet. Aus den Ermittelten werden kann festgestellt werden, dass in kurzer Distanz noch ein Unterschied ermittelt werden kann diese Werte schwanken aber trotz gleicher Distanz. Eine Analoge Entfernungsmessung ist damit nicht möglich.

Distanz in [cm]	Spannung in [mA]
5	0,1-0,3
10	0,1-0,2
50	0,1-0,2
100	0,1
150	0,1
200	0,1
250	0,1

Analog-Digital-Umsetzer

Um trotzdem eine Messung durchführen zu können, werden die niedrige Spannungen Verstärkt und gefilterte. Im dem Mikroprozessor EM78P153 wird dieses Signal im Anschluss in ein Digitales 5 Volt High oder Low Signal umgewandte. Was im Anschluss an den Arduino übermittelt wird.

Umwelteinflüsse auf die Messung

Um Schallgeschwindigkeit zu berechnen ist es wichtig, sich mit den äußeren Gegebenheiten auseinander zu setzten. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom der Elastizität, Dichte und der Temperatur. Um eine Exakte Messung bei Unterschiedlichen Umweltbedingungen durchzuführen muss konstant die Temperatur und die Luftfeuchte gemessen werden. Mit diesen Werten kann die Momentane Schallgeschwindigkeit Berechnet werden und die äußeren Umwelteinflüsse ausgerechnet werden. In diesem Versuch wird die Temperatur nicht gemessen. Der Versuch wird in einem geschlossenen Raum durchgeführt deswegen wird festgelegt, dass mit einer Schallgeschwindigkeit von 343,5 m/s gerechnet wird.

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.

Übersicht der Schallgeschwindigkeit bei Temperatur

Temperatur [°C]	Temperatur [K]	Schallgeschwindigkeit [m/s]	Schallgeschwindigkeit [km/h]
-50	223,15	299,63	1079
-40	233,15	306,27	1103
-30	243,15	312,77	1126
-20	253,15	319,09	1149
-10	263,15	325,35	1171
0	273,15	331,50	1193
10	283,15	337,54	1215
20	293,15	343,46	1236
30	303,15	349,29	1257
40	313,15	254,94	1278
50	323,15	360,57	1298

Mathematisches Hilfsmittel

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Lautstärke berechnen

Bei dem Ultraschallsenders lässt sich die Lautstärke mit der Formel des Schalldruckpegel berechnen.

Sound pressure level = (S.P.L.)
$P$= Schalldruck des Sensors
$Po$= Referenzschalldruck

$SPL=20log \dfrac {P}{Po} (dB)$

Berechnung der Schallgeschwindigkeit

Für trockene Luft Molmasse in Meereshöhe $M = 0,02896 \dfrac {kg}{mol}$
Für das zweiatomige Gas Sauerstoff $O{2}$ $\kappa = \tfrac{7}{5} = 1{,}40$

$R$ ist die universelle Gaskonstante in Joule pro Kelvin mal Mol
$R = 8,31448 \dfrac {J}{K \cdot mol }$
$K$ ist die Temperatur in Kelvin bei 20

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

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/
https://www.rahner-edu.de/mikrocontroller/prop-sensoren-et-al/ultraschallsensor/

3. https://elektro.turanis.de/html/prj121/index.html

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