HC-SR04: ПОДКЛЮЧЕНИЕ УЛЬТРАЗВУКОВОГО ДАТЧИКА РАССТОЯНИЯ

Что нам понадобится?

Для опытов с ультразвуковым датчиком расстояния HC-SR04 нам понадобится плата ESP32 DEVKIT V1, пара макетных плат, соединительные проводники-перемычки, резистор с номиналом около 220 Ом и кабель micro USB для подключения платы к компьютеру.

Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04

Ультразвуковой датчик HC-SR04 используется для определения расстояния до объекта. Он включает в себя пьезоэлектрический ультразвуковой передатчик, излучающий ультразвуковые волны с частотой 40 кГц, и приемник, принимающий отраженную ультразвуковую волну. Также HC-SR04 содержит внутренний микроконтроллер и чипы для усиления и обработки сигналов.

Внешний вид датчика показан на рисунке. Рабочий диапазон определения препятствий находится в пределах от 2 см до 400 см. Точность — порядка 3 мм. Угол измерения — 15°. Напряжение питания — 5 В.

Принцип работы датчика отражен на временной диаграмме ниже. Для старта измерений на контакт Trig (Trigger) необходимо подать высокий уровень напряжения продолжительностью 10 микросекунд. Передатчик (Transmitter) произведет 8 ультразвуковых импульсов, следующих с частотой 40 кГц. Когда приемник (Receiver) примет отраженную ультразвуковую волну, на контакте Echo появится напряжение высокого уровня на время, пропорциональное расстоянию до препятствия.

Измерив длительность импульса на контакте Echo в микросекундах и зная, что скорость звука в воздухе составляет 343 м/c при температуре 20 °C и нормальном давлении, можно узнать расстояние до препятствия.

Например, если мы хотим получить расстояние в сантиметрах, то переведем скорость звука из м/с в сантиметры в микросекунду. Для этого умножим 343 на 100 и разделим на 1000000. Получившуюся величину нужно умножить на измеренное в микросекундах время, поделенное на 2 (нам необходимо учитывать, что ультразвуковая волна прошла двойное расстояние от датчика до препятствия: туда и обратно).

Временная диаграмма работы HC-SR04

Схема подключения датчика HC-SR04

Для экспериментов с HC-SR04 подключим вывод Trig, например, к выводу D25 (GPIO25) платы микроконтроллера ESP32. А вывод Echo – к выводу D27 (GPIO27) через ограничительный резистор с номиналом 220 Ом. Резистор необходим для защиты входа микроконтроллера от возможного высокого напряжения на выходе Echo. Максимальное напряжение, которое можно подавать на вывод ESP32, не должно превышать 3.6 В, а выходной сигнал датчика (Echo) имеет TTL-уровень – 5 В.

Принципиальная схема подключения датчика HC-SR04
(расположение выводов HC-SR04 на схеме показана условно)

Для согласования уровней можно также использовать делитель напряжения на двух резисторах. Использование согласования уровней предпочтительно в более серьезных схемах, а для простых экспериментов можно обойтись даже без ограничительного резистора, так как входы ESP32 спокойно работают с TTL-уровнями, хотя это и не желательно.

Схема делителя напряжения для согласования уровней

Полная монтажная схема подключения HC-SR04 приведена в начале статьи.

Программа для работы с датчиком

Для работы программы нам понадобятся микросекундные функции. Одна из них находится в модуле time и называется sleep_us. Эта функция обеспечивает микросекундные задержки. Вторая функция находится в модуле machine и называется time_pulse_us. Функция возвращает длительность импульса на указанном пине в микросекундах. Эта функция является очень полезной, поэтому рассмотрим ее работу подробнее. Пример вызова функции может выглядеть следующим образом:

machine.time_pulse_us(pin, pulse_level, timeout_us = 1000000)

Аргументы функции:

• pin — пин, на котором производится измерение длительности импульса
• pulse_level — должен быть 0 для определения длительности импульса низкого уровня или 1 для определения длительности импульса высокого уровня
• timeout_us — время ожидания (тайм-аут) в микросекундах

Если текущее входное значение пина отличается от pulse_level, функция сначала ждет, пока вход пина не станет равным pulse_level, а затем измеряет длительность, в течение которой пин равен pulse_level. Если же пин уже равен pulse_level, то отсчет времени начинается немедленно. Функция вернет -2, если был превышен тайм-аут ожидания, и -1, если был превышен тайм-аут во время основного измерения.

Значение, полученное от функции time_pulse_us, мы будем умножать на скорость звука (343 м/с), умноженную на 100 и деленную на 1000000 (для перевода в сантиметры). Сделаем расчеты заранее, чтобы не нагружать микроконтроллер.

343 * 100 / 1000000 = 0.0343

Выводить полученное значение будем с точностью до одного знака после запятой, используя функцию round(). Первым аргументом этой функции является округляемое значение, а вторым – число знаков после запятой.

В результате программа может выглядеть, например, так:

# из модуля machine импортируем класс Pin и функцию time_pulse_us
from machine import Pin, time_pulse_us
# из модуля time импортируем функции sleep и sleep_us
from time import sleep, sleep_us

# создадим функцию distance для работы датчиком
# функция будет принимать объекты пинов для trigger и echo
# и возвращать расстояние в сантиметрах
def distance(trigger, echo):
    # подаем на trigger низкий уровень на 2 микросекунды
    trigger.value(0)  
    sleep_us(2)
    # подаем на trigger высокий уровень на 10 микросекунд
    trigger.value(1)
    sleep_us(10)
    trigger.value(0)
    # возвращаем измеренную на echo
    # длительность импульса высокого уровня в микросекундах, 
    # умноженную на скорость звука и деленную на 2
    return time_pulse_us(echo, 1) * 0.0343 / 2

# создаем объект Pin для Trigger с режимом выхода
trigger_pin = Pin(25, Pin.OUT)
# создаем объект Pin для Echo с режимом входа
echo_pin = Pin(27, Pin.IN)

# организуем бесконечный цикл
while True:
    # присваиваем переменной d значение,
    # возвращаемое функцией, в которую передаем объекты Pin
    d = distance(trigger_pin, echo_pin)
    # печатаем d с округлением до десятых
    print(round(d, 1))
    # ждем полсекунды
    sleep(0.5)

Запустим Iguana IDE. Скопируем в нее текст программы. Подключим микроконтроллер к компьютеру с помощью USB-кабеля. Откроем соединение с помощью кнопки "Open" и нажмем кнопку "DOWNLOAD & RUN". В терминале каждые полсекунды будет печататься измеренное датчиком расстояние в сантиметрах. Поднесите к датчику ладонь, подвигайте ей вперед-назад перед датчиком. Наблюдайте изменение значения в терминале. Подробнее о загрузке и запуске программ можно прочитать в статье "ПЕРВЫЙ ПРОЕКТ НА МИКРОКОНТРОЛЛЕРЕ ESP32".

Для работы с ультразвуковым датчиком можно также воспользоваться популярной библиотекой "HC-SR04 Sensor driver in micropython", которую написал Роберто Санчес. Чтобы начать ее использовать, скопируйте файл "hcsr04.py" с github-странички проекта к себе на микроконтроллер и воспользуйтесь примерами использования на той же странице.

Удачный Вам экспериментов!

См. также:

Iguana — удобная и функциональная IDE для MicroPython

Программируем микроконтроллер ESP32 по Wi-Fi