Датчики

Ультразвуковой дальномер HC-SR04

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 представляет собой простое и дешевое решение задачи измерения расстояния, не превышающего 4 м. Несложный принцип работы и небольшие габариты сделали датчик популярным среди любителей электроники и робототехники.

Принцип действия HC-SR04 основан на хорошо известном явлении эхолокации. При его использовании излучатель формирует акустический сигнал, который отразившись от преграды, возвращается к датчику и регистрируется приемником. Зная скорость распространения ультразвука в воздухе (примерно 340м/с) и время запаздывания между излученным и принятым сигналом, легко рассчитать расстояние до акустической преграды.

Внешний вид HC-SR04

Характеристики HC-SR04.

• Напряжение питания:+5В
• Ток ожидания: <2mA
• Ток, потребляемый в рабочем режиме: 15mA
• Измеряемое расстояние: 2см – 400см
• Частота импульсов: 40кГц
• Разрешение: 0.3см
• Угол измерения: 30°
• Импульс запуска измерения: 10uS
• Габаритные размеры: 45мм x 20мм x 15мм

Для подключения к схеме измерения датчик оснащен 4 выводами. Два из них служат для подключения питания. На вход Trig подается запускающий импульс, а с выхода Echo снимается сигнал, длительность которого пропорциональна измеренному расстоянию.

Алгоритм работы с датчиком следующий:

- для старта измерения, на вход Trig подается запускающий импульс длительностью 10 микросекунд.

- после обнаружения запускающего импульса, датчик излучает пачку из 8 импульсов с частотой 40кГц.

- обнаружив отраженный сигнал, HC-SR04 устанавливает высокий уровень на выходе Echo. Длительность данного состояния в микросекундах будет пропорциональна измеренному расстоянию в метрах.

- запускающие импульсы рекомендуется формировать 1 раз в 50мс.

Диаграмма работы HC-SR04

Все что требуется от управляющего микроконтроллера – сформировать запускающий импульс и измерить значение эхо-сигнала. На практике для этого достаточно использовать таймер, инкрементирующийся с частотой 1 МГц, (1 микросекунда). При обнаружении эхо-сигнала таймер следует запустить, а по отрицательному фронту прочесть значение счетчика. Учитывая значения величин, требуется использовать 16 разрядный таймер.

Для получения точного значения расстояния в приемлемых единицах необходим дополнительный расчет. Он должен учитывать, что измеренное значение включает прямой и обратный путь распространения сигнала. Соответственно, для расчета дистанции время надо поделить на 2. Также следует учесть скорость ультразвука в воздухе. В итоге общая формула будет иметь следующий вид:

Здесь: L – расстояние в метрах, t – время эхо-импульса в секундах, V =340м/с – скорость ультразвука. Для упрощения расчетов, гораздо выгоднее применить формулу вида: 

где, l – дистанция в сантиметрах, t_us – время в микросекундах.

В качестве примера использования ниже приведена схема и программа, обеспечивающие работу ультразвукового модуля HC-SR04. Программа написана на языке mikroPascal определяет время эхо-импульса путем прямого запуска и останова 16-разрядного счетчика. Такой подход очень прост, но далек от идеала. Для реального использования алгоритм лучше переработать. Тем не менее, в качестве демонстрационного, проект вполне жизнеспособен.

Схема использования HC-SR04

program HC-SR04_Demo;var i,dig:byte;
    dig1,dig2,dig3,dig4:byte;
    dist:byte;
    d1,j,j1:word;
function mask(num: byte): byte;           // Подпрограмма преобразования чисел в код индикатора

begin
  case num of    //afbgcpde
     0 : result:= %11101011;
     1 : result:= %00101000;
     2 : result:= %10110011;
     3 : result:= %10111010;
     4 : result:= %01111000;
     5 : result:= %11011010;
     6 : result:= %11011011;
     7 : result:= %10101000;
     8 : result:= %11111011;
     9 : result:= %11111010;
     10: result:= %00010000;
   end; //case endend;//~
procedure Digit_Reg(digit:byte);          // Подпрограмма записи в регистр индикатора

begin
  for i:=1 to 8 do
    begin
      clearbit(PortC,4);
      if testbit(digit,0) then setbit(PortC,4);
      Setbit(portc,3);
      Clearbit(portc,3);
      digit:=digit shr 1;
    end;end;
procedure interrupt; // Подпрограмма обработки прерываний. В ней переключаются цифры

begin
  dig:=dig+1;
  if dig>4 then dig:=1;
  case dig of
    1: begin       {Переключение цифры на индикаторе}
      clearbit(portc,0); Digit_Reg(dig2); setbit(portc,1);
    end;
    2: begin 
      clearbit(portc,1); Digit_Reg(dig3); setbit(portc,2);
    end;
    3: begin  
      clearbit(portc,2);Digit_Reg(dig1);setbit(porta,2);
    end;
    4: begin 
      clearbit(porta,2);Digit_Reg(dig4);setbit(portc,0);
    end;
  end;
  INTCON := %10100000;                      // Сброс флага прерывания T0IF

end;

begin
  //Первоначальная настройка
  ansel       :=0;
  cmcon       :=7;
  INTCON      :=  $A0;
  TRISA       :=    %00000000;
  TRISC       :=    %00101000;
  PORTA       :=    0;
  PORTC       :=    0;
  OPTION_REG:=%01000000;
  Setbit(portc,0);
  dig:=0;
  dig1:=0;
  dig2:=0;
  dig3:=0;
  dig4:=2;
  t1con:=%00000100;
  while 1 do        //Бесконечный цикл
    begin
      intcon.gie:=0;  //Останов прерываний
      tmr1l:=0;       //Сброс счетчиков
      tmr1h:=0;
      j:=25000;j1:=25000; // Задание защитных интервалов
      //Запускающий импульс
      porta.0:=1;
      delay_us(10);
      porta.0:=0;
      //Ожидание ответа
      while (portc.5=0) and (j>0) do begin j:=j-1; end;
      t1con.tmr1on:=1;  //Старт таймера
      //Ожидание окончания импульса ответа
      while (portc.5=1) and (J1>0) do begin j1:=j1-1; end;
      t1con.tmr1on:=0;  //Останов  таймера
      intcon.gie:=1;   //Запуск прерываний
       // Установка кода ошибки в случае ее наличия
      if (j=0) or (j1=0) then begin dig1:=2; dig2:=2; dig3:=2; end
      //Вычисление расстояния
      else begin
        // Чтение 2 байт из таймера
        d1:=tmr1h;
        d1:=d1 shl 8;
        d1:=d1+tmr1l;
        //Вычисление
        dist:=d1/58;
        //Запись дистанции в индикатор
        dig3:=mask(dist/100);
        dig2:=mask((dist/10) mod 10);
        dig1:=mask(dist mod 10);
      end;
      delay_ms(1000); //Задержка между измерениями
    end;

end.