Ультразвуковой датчик расстояния Ардуино HC-SR04. Ультразвуковой дальномер hc-sr04 - Измерительная техника - Инструменты Внешний вид макетной платы ультразвукового сенсора

02.08.2023

Некоторые замечания:
Все детали, нужные для создания ультразвукового дальномера по этой схеме продаются в чипидипе, стоит около 500-900р за все(точно не помню - денег много было, не считал:-). (корпус, пищалки, разъемы прочее)
Некоторые коментарии по схеме ультразвукового дальномера:
1. Пищалки можно юзать любые, под разные задачки лучше разные ... для моей задачи - чем болше габариты тем лучше, угол 50.
2. Можно попробывать использовать только одну относительно дорогую AD822 а на место компаратора чего-нить по дешевле (у меня просто не было ничего другого под рукой вообще)
3. В меге для генерации 40 килогерц можно использовать таймер, для этого нужно подобрать другой резонатор. (у меня были только 16 и 12.. они не подходят)
4. Скорость звука в воздухе вообще-то зависит от температуры - если очень важна точность (мне она пофигу) то учитывай это
5. Заметь- что на картинке дальномера в корпусе - пищалки не касаются пластмассы - один чел говорил, что при мегаточной настройки (данная схема способна и на такое) звук от пищалки до микрофона будет передаваться по корпусу, по этому лучше перестраховаться
6. Пример простейшей прошивки меги на си(под эту схему) можно посмотреть
7. Программатор лучше использовать STK200/300 он же avreal - софт и схему можно дернуть
8. По уму в прошивке надо отслеживать и начало и конец "пачки", в примере только начало(точность вырастет конкретно).. может допишу - выложу.
9. Пищалка очень любит 40кгц - чуть в сторону уже совсем не то... наверное правду в мануале пишут, что резонансная:-)
10. НА схеме неспроста в излучателе понапиханы транзисторы - желающим дать больше вольт чем 12 - велком - один чел говорил, что будет пищать громче(считай дальше). Я этого делать не стал по трем причинам: во первых 24 вольта еще где-то найти надо, во вторых текущаа версия при соотв настройке ризистора итак видит стену за 4 метра, т.е. мне не где испытывать его, да и не нужно. Ну а третья причина этот же чел говорил, что пищалки имеют тенденцию дохнуть на этом вольтаже
11. Общий совет: можно найти все резисторы и конденсаторы в нерабочем блоке питания от компа ATX(они там все где-то 1/8 вата) - денег сэкономишь!
12. Ошибочное мнение, что ультразвук издаваемый пищалкой как-то могут услышать собики и прочие твари, он на них плохо влияет: у меня собака пришла как то ночью и уснула напротив пищалки включенной.
13. Еще - так просто к сведенью - меги и прочие 8битный контроллеры от атмела - гонятся отлично.. у меня в некоторых задачках вместо положенных 16 работают на 24 и нормально.
14. При устрановке R5 выше килоома (10, 50, 100) получится очень большое усиление, и скорее всего понадобятся рупора, зато дальность измерений сильно вырастет.
15. Вместо устрановки рупоров (при большом R5) см. выше, можно модернизировать прошивку, что б она не ждала в начальный момент времени полезный сигнал. Но тогда нельзя будет мерять расстояния около 10 см и меньше.

Коментраий к совету 8 - желтым обозначен момент срабатывания прерывания МК ультразвукового дальномера на приеме, собственно можно ограничится именно этим первым моментом, подождать чуть-чуть и делать следующее измерение, генерая следущюю пачку импульсов - а время полета звука считать временем от первого посланного импульса(или последнего не суть важно) до ПЕРВОГО принятого.
Второй вариант - обозначен красным - более точный - поскольку пачка импульсов как правило доходит отнюдь не в идеальном виде и не полностью (может не быть пары тройки первых или последних импульсов), собствено даже на картинке видно, что она "сплющилась" по краям, хотя отправлялся идеальный прямоугольник импульсов - так вот: суть в том, что середина пачки должна оставаться на месте несмотря на то, что края ее уже могут не почувствоваться компаратором. Так что точность в несколько.. (милиметров надо думать) зависит от того учитывалась в прошивке ультразвукового дальномера середина или только начало пачки при приеме ее обратно.

Bruno Gavand

Проект, в котором рассматривается простое и дешевое решение ультразвукового сенсора для измерения расстояния, выполнен на базе микроконтроллера PIC16F877A компании , но пользователями исходный код может быть адаптирован под другие микроконтроллеры. Сенсор может быть встроен в пользовательские разработки и устройства: детекторы присутствия, роботы, автомобильные системы парковки, устройства измерения расстояния и пр.

Отличительные особенности:

небольшое количество внешних компонентов;
размер кода 200 Байт;
диапазон рабочих расстояний: 30 см - 200 см;
точность измерений ±1 см;
индикация при выходе за пределы измерений.

Как известно, скорость звука в воздухе равна около 340 м/с. Таким образом, принцип ультразвукового сенсора состоит в посылке ультразвуковой импульса частотой 40 кГц и отслеживание отраженного сигнала (эхо). Конечно, звука вы не услышите, но ультразвуковой датчик способен определить отраженный импульс. Следовательно, зная время прохождения импульса и отраженного ультразвукового сигнала, мы сможем получить расстояние. Разделив на два, мы получим расстояние от ультразвукового датчика до первого препятствия, от которого был отражен сигнал.

В устройстве применен пьезокерамический ультразвуковой излучатель MA40B8S и пьезокерамический ультразвуковой датчик MA40B8R открытого типа. Основные параметры приведены в таблице ниже.

Устройство	Назначение	Частота	Направленность, град	Емкость, пФ	Область детектирования, м	Входное напряжение, макс, В
MA40B8S	Излучатель	40 кГц	50 (симметричный)	2000	0.2 … 6	40
MA40B8R	Датчик	40 кГц	50 (симметричный)	2000	0.2 … 6	—

Для тестирования была применена отладочная платформа компании .

Однако пользователь может использовать любой микроконтроллер PIC, у которого имеется хотя бы один канал АЦП и один канал ШИМ.

Принципиальная схема ультразвукового сенсора

Управление излучателем осуществляется посредством транзистора BD135 . Диод 1N4007 служит для защиты транзистора от обратного напряжения. Благодаря использованию транзистора и резонансной цепочки, которая образована параллельным включением дросселя L1 330 мкГн и конденсатора, образованного самим излучателем, напряжение питания излучателя составит около 20 В, что обеспечивает дальность обнаружения до 200 см. Стоит заметить, что управлять излучателем возможно непосредственно с вывода микроконтроллера, однако в таком случае диапазон расстояний не превышает 50 см.

Датчик подключен непосредственно к АЦП микроконтроллера (при использовании PIC16F877A - канал 1 АЦП), резистор, включенный параллельно датчику, необходим для согласования импеданса.

Для начала необходимо послать ультразвуковой импульс. Сигнал с частотой 40 кГц легко получить с использованием аппаратного ШИМ микроконтроллера. Отраженный сигнал с датчика поступает в АЦП, разрешение АЦП составляет 4 мВ, что вполне достаточно для считывания данных с датчика, и дополнительные компоненты не нужны.

Внешний вид макетной платы ультразвукового сенсора

Этот сенсор - самое простое решение, и поэтому имеет несколько недостатков: небольшая вибрация ультразвукового приемника может привести к неправильным измерениям. Так как посылаемый импульс не модулирован и не кодирован, посторонние источники ультразвуковой частоты могут влиять на измерение, и все это может привести к неправильным результатам (выход за пределы измерений).

Надписи на изображении:

ultrasonic burst - ультразвуковой импульс;
mechanical echo (removed by software) - механическое эхо (исключается программно);
ultrasonic wave reflected by remote object - ультразвуковая волна, отраженная от удаленного объекта.

Цена деления осциллографа: по горизонтали - 1 мс/дел, по вертикали - 5 мВ/дел.

Механическое эхо исключается программно путем введения задержки. Отраженная волна, имеющая амплитуду около 40 мВ, получена через 9.5 мс после отправленного импульса. Учитывая, что скорость звука 340 м/с, получаем:

0.0095 / 2×340 = 1.615 м.

В реальности - это был потолок помещения на расстоянии от датчика 172 см, на ЖК дисплее, установленном на отладочной плате было отображено значение 170 см.

Загрузки

Исходный код к проекту на микроконтроллере PIC16F877A (компилятор mikroC) -

Этот прибор, который до сих пор считается уникальным, смог найти применение практически во всех сферах человеческой жизни. Сегодня лазерный дальномер можно увидеть в руках геологов и геодезистов. Иными словами, в тех областях человеческой деятельности, где необходимо замерить расстояние с особой точностью. Поэтому высокую популярность завоевали лазерные рулетки, отличающиеся высокой точностью, повышенной надежностью и вполне доступной ценой. Вполне естественно звучит вопрос, можно ли сделать дальномер лазерный своими руками.

К группе приборов, которые измеряют расстояние при помощи электроники, относятся: лазерный дальномер, ультразвуковой дальномер.

Измерения лазерным дальномером делаются на основе световых потоков, носителем сигнала является электромагнитное излучение, окрашенное в соответствующий оттенок. В большинстве случаев за основу берется красный свет.

Согласно законам физики, скорость света намного превышает скорость звука, поэтому и время измерения одинакового расстояния будет отличаться.

Основные причины для монтажа лазерного дальномера

Пользоваться механической рулеткой не всегда удобно. Порой она не дает положительного эффекта. В последние 10 лет все большее предпочтение отдается электронным дальномерам. К этой группе приборов, которые измеряют расстояние при помощи электроники, относятся:

лазерный дальномер;
ультразвуковой дальномер.

Все эти приборы функционируют по принципу бесконтактного метода. Такой дальномер своими руками сегодня создают отечественные мастера. Приборы работают не хуже тех, которые были выпущены в заводских условиях.

Лазерный дальномер, сделанный своими руками, состоит из нескольких частей:

плата;
микроконтроллер;
усилитель лазерного сигнала;
лазер;
фотоприемник;
фильтр.

В основном излучение лазера возникает при помощи синусоидального сигнала.

Довольно сложно получить такой сигнал, имеющий частоту 10 МГц. Простой контроллер здесь не подходит. Для этого лучше использовать меандр, у которого имеется нужная частота. Когда усиливается сигнал, приходящий из фотоприемника, удаляются ненужные гармоники специальным полосовым фильтром, который функционирует на частоте 10 МГц. На выходе появляется сигнал, сильно напоминающий синусоидальный.

Вернуться к оглавлению

Чтобы изготовить дальномер своими руками можно за основу взять схему лазерной связи. В данном случае передача данных происходит очень быстро, скорость равна 10 Мбит. Такая величина соответствует имеющейся частоте модуляции.

Для такого лазерного устройства берется самый простой усилитель мощности. Он состоит из одной микросхемы 74HC04, которая собрана из шести инверторов. Подача тока ограничивается специальными резисторами. Однако умельцы могут заменить резисторы более надежными деталями.

Пусконаладочная плата становится источником 5-вольтового напряжения. Таким образом усилитель получает питание. Чтобы убрать наводки сигнала на другую часть электрической схемы, усилительный корпус делается стальным, каждый провод экранируется.

В качестве лазера выступает привод, установленный в DVD-приставках. Такое устройство имеет вполне достаточную мощность для функционирования на частоте, достигающей 10 МГц.

В состав приемника входит:

фотодиод;
усилитель.

В состав усилителя входит полевой транзистор, специальная микросхема. Когда увеличивается расстояние, происходит падение освещенности фотодиода. Поэтому необходимо иметь мощное усиление. Собираемая схема позволяет достичь 4000 единиц.

Когда увеличивается частота, начинают уменьшаться сигналы фотодиода. Усилитель подобной конструкции является главной и сильно уязвимой частью. Его настройка требует очень высокой точности. Желательно отрегулировать коэффициент усиления таким образом, чтобы получать максимальные значения. Самым простым способом будет подача на транзистор 3 В. Можно установить обыкновенную батарейку.

Чтобы приемник начал работать, необходимо подать 12 В. Для этого устанавливается специальный блок питания.

У такого усилителя высокая чувствительность к любым наводкам, поэтому его нужно обязательно экранировать. Можно для этого воспользоваться корпусом оптического датчика. Экранирование фотодиода можно сделать из обычной фольги.

Описанная выше система позволит создать самодельный лазерный дальномер в бытовых условиях.

Ультразвуковой датчик расстояния HC-SR04 (и схожие модули) используют ультразвуковые волны, чтобы определить дистанцию до объекта.

Вообще говоря, нам нужно будет выяснить расстояние до объекта, потому что сам датчик просто учитывает время, которое уходит на то, чтобы поймать эхо от отправленных им звуковых волн. Это происходит таким образом:

Модуль посылает звуковые волны, в то же время подавая напряжение на особый пин эха.
Модуль ловит отраженный сигнал и снимает напряжение с пина.

Это все, что делает ультразвуковой дальномер. Дистанцию мы можем определить сами, ведь мы знаем, сколько времени заняло у звука на то, чтобы совершить путешествие от модуля и обратно (по тому, насколько долго пин эха был под напряжением), а также мы знаем скорость звука в воздухе. Но мы не будем сильно вдаваться в детали и позволим Arduino сделать все вычисления.

Кстати, несмотря на то, что принцип работы всех ультразвуковых датчиков одинаков, НЕ ВСЕ ИЗ НИХ производят одинаковый вывод напряжения на пин эха. Так что, если у вас модуль, отличный от HC-S04, то уделите внимание четвертому шагу, где описаны возможные проблемы, и проверьте, возможно, ваш модуль есть в списке. Если его там нет, то придётся разбираться своими силами.

Шаг 1: Сборка железа своими руками

Сборка очень проста (собирайте всё отключенным от напряжения):

Соедините 5V от Ардуино с пином VCC на модуле
Соедините GND от Ардуино с GND на модуле
Соедините цифровой пин 7 на Ардуино с пином Trig на модуле
Соедините цифровой модуль 8 на Ардуино с пином Эхо на модуле

Шаг 2: Программирование модуля HC-SR04

Для того чтобы видеть результаты работы программы, нужно запустить serial monitor на Ардуино. Если вы не знакомы с этой функцией, то сейчас самое время открыть её и узнать о ней побольше — это отличная вещь, помогающая отладить код. В интерфейсе Ардуино посмотрите в правый угол, там вы найдёте кнопку, запускающую серийный монитор, она похожа на увеличительное стекло, кликните на ней и монитор откроется (или выберите TOOLS/Serial Monitor, или нажмите Ctrl+Shift+M).

Вот набросок рабочей программы:

// Начала Скетча для Аруино —
// Определяем константы (константы не изменяются и если вы попробуете переопределить их то получите ошибку во время компиляции)
const int triggerPin = 7; // создаёт константу с именем «triggerPin» и назначает на неё цифровой пин 7
const int echoPin = 8; // создаёт константу с именем «echoPin» и назначает на неё цифровой пин 8
// Определяем переменные (переменные могут изменяться и обычно изменяются по ходу программы, в них могут содержаться какие-либо рассчитываемые значения)
int duration = 0; // создаёт переменную с именем «duration» для хранения значения, возвращаемого pulseIn, изначально значение задаётся равным «0»
int distance = 0; // создаёт переменную для хранения значения, рассчитанного в качестве расстояния до объекта, находящегося перед датчиком, изначально значение задаётся равным «0»
void setup() // В этой секции можно настроить вашу плату и другие параметры, необходимые для работы вашей программы.
{
Serial.begin(9600); // инициализирует последовательную коммуникацию через USB между Ардуино и компьютером, нам это понадобится
//определяем режимы пинов
pinMode(triggerPin, OUTPUT); // «triggerPin» будет использоваться для ВЫВОДА, номер пина объявлен выше в секции «Определяем переменные»
pinMode(echoPin, INPUT); // «echoPin» будет использоваться для ВВОДА, номер пина объявлен выше в секции «Определяем переменные»
} // конец настройки
// всё, что было написано выше считывается программой лишь один раз — при Запуске или Сбросе (Reset)
void loop() // код программы в зацикленной части считывается беспрестанно и повторяется до тех пор, пока не выключится питание, или пока не будет сделан сброс
{
digitalWrite(triggerPin, HIGH); //начинает подавать ультразвуковые волны с модуля HC-SR04
delay(5); // небольшая пауза, она нужна для того, чтобы модуль функционировал правильно (можно уменьшить это значение, другие мои программы работают при значении 1)
digitalWrite(triggerPin, LOW); //останавливает ультразвуковые волны, идущие от модуля HC-SR04
duration = pulseIn(echoPin, HIGH); //особая функция, позволяющая определить продолжительность времени, при котором на пин эха подавалось напряжение в последнем завершенном цикле подачи ультразвука
delay(10); // опять небольшая пауза. Она нужна для стабильности, слишком короткая пауза может не дать результата
distance = (duration/2) / 58; //преобразовываем продолжительность в расстояние (значение, сохранённое в «duration» делится на 2, затем это значение делится на 58**) ** для сантиметров
delay(500); // еще одна пауза для стабильности — можете поиграть со значением, но это может испортить работу программы, так что по умолчанию используйте 500
Serial.print(distance); //отправляет вычисленное значение расстояния на серийный монитор
Serial.println(» cm»); //добавляет слово «cm» после значения расстояния и переводит каретку на серийном мониторе на новую строку
Serial.println(); //добавляет пустую строку на серийном мониторе (для удобства чтения)
} // Конец цикла

_________________________________________________

Итак, после прочитывания моей инструкции я понял, что набросок программы не соответствует моему пониманию простоты. Поэтому я выкладываю тот же самый набросок с лёгкими комментариями.

// Программа модуля ультразвукового датчика расстояния HC-SC04
const int triggerPin = 7; //триггер на 7
const int echoPin = 8; // ECHO на 8
int duration = 0; // хранит значение из pulseIn
int distance = 0; // хранит значение рассчитанного расстояния
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(triggerPin, OUTPUT); //определяет режимы пинов
pinMode(echoPin, INPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(triggerPin, HIGH); // начинает отправлять ультразвук
delay(5); //необходимая команда, настраивается (но не ниже 10микросекунд)
digitalWrite(triggerPin, LOW); // модуль прекращает отправлять ультразвук
duration = pulseIn(echoPin, HIGH); // определяет, как долго подавалось напряжение на пин ECHO
delay(10); //необходимая команда, настраивается, но аккуратно
distance = (duration/2) / 58; // высчитываем расстояние в см до объекта
delay(500); // пауза для стабильности, уменьшение может сломать ход программы, лучше оставить как есть
Serial.print(distance); // отправляет текущее значение, хранимое в distance на серийный монитор
Serial.println(» cm»); // отображает слово «cm» сразу после расстояния
Serial.println(); // создаёт одну пустую строку в серийном мониторе (для удобства чтения)
}

К инструкции я также приложу файлы.ino

Файлы

HCSR04BareBones.ino — этот файл сильно закомментирован и содержит кое-какую информацию по модулю HC-SR04, а также инфу по сборке.
BareBonesLight.ino — модуль с небольшим количеством комментариев

Вот мой совет. Я знаю, что код работает, но перед тем, как прикреплять файлы к инструкции, я перепроверил всё и серийный монитор стабильно показывал «0 cm». Проблема оказалась в сгоревшем модуле, а его замена исправила ситуацию.

Смотрите на то, как откликается программа, если решите поиграть со значениями команд delay. Опытным путём я обнаружил, что уменьшение значений delay или приравнивание их к 0 может привести программу к нерабочему состоянию.

После того, как вы настроили устройство, всё ограничивается лишь вашим воображением. Вы можете сверяться, что неподвижные объекты находятся на том же расстоянии и остаются неподвижными. Вы можете использовать монитор, чтобы получать уведомления о том, что какой-то объект передвинулся мимо датчика и т.д.

Схема выше использовалась мной для того, чтобы определять, что от датчика все объекты находятся на расстоянии дальше, чем 60 см. В проекте использовалось три диода и пищалка. Когда все предметы были дальше 60 см, горел зеленый диод. Когда что-то приближалось менее чем на 60см, зеленый диод гас, а красный загорался. Если объект оставался на близком расстоянии на какой-то время, то загорался второй красный диод, а пищалка начинала пищать. Когда объект удалялся на 60см, пищалка умолкала, красные диоды гасли, и снова загорался зеленый. Это не предотвращало все ложные тревоги, но работало с большинством случаев, когда мимо датчика пролетала птица или любопытная белка пробегала мимо.

Шаг 4: Известные проблемы

Если вы видите модель вашего ультразвукового модуля в этом пункте, то листайте ниже. Надеюсь, вы найдёте вашу проблему и решите её.

US-105
DYP-ME007TX

Модуль US-105

Ультразвуковой модуль US-105 использует вывод GPIO на пин ECHO, что подразумевает другие вычисления для определения расстояния. При выводе GPIO на пин ECHO, пин не удерживается под напряжением во время отправки волны. Вместо этого, при получении отраженного ультразвука на пин ECHO подается конкретное напряжение, которое пропорционально времени, потребовавшемуся ультразвуковой волне для того, чтобы отправиться и вернуться обратно на датчик. С этим модулем будет работать такой код:

// Код для ультразвукового модуля US-105 unsigned int EchoPin = 2; unsigned int TrigPin = 3; unsigned long Time_Echo_us = 0; //Len_mm_X100 = length*100 unsigned long Len_mm_X100 = 0; unsigned long Len_Integer = 0; // unsigned int Len_Fraction = 0; void setup() { Serial.begin(9600); pinMode(EchoPin, INPUT); pinMode(TrigPin, OUTPUT); } void loop() { digitalWrite(TrigPin, HIGH); delayMicroseconds(50); digitalWrite(TrigPin, LOW); Time_Echo_us = pulseIn(EchoPin, HIGH); if((Time_Echo_us 1)) { Len_mm_X100 = (Time_Echo_us*34)/2; Len_Integer = Len_mm_X100/100; Len_Fraction = Len_mm_X100%100; Serial.print("Растояние: "); Serial.print(Len_Integer, DEC); Serial.print("."); if(Len_Fraction < 10) Serial.print("0"); Serial.print(Len_Fraction, DEC); Serial.println("mm"); delay(1000); } // Конец программы

Модуль DYP-ME007TX

// Код для ультразвукового модуля DYP-ME007TX /* Инструкции по подключению * 5V от Ардуино к VCC на модуле * GNG от Ардуино к GND на модуле * OUT от модуля к цифровому пину 7 на Ардуино */ #include #define RXpin 7 #define TXpin 7 SoftwareSerial mySerial(RXpin, TXpin); long mili = 0; byte mybuffer = {0}; byte bitpos = 0; void setup() { Serial.begin(9600); mySerial.begin(9600); } void loop() { bitpos = 0; while (mySerial.available()) { if (bitpos < 4) { mybuffer = mySerial.read(); } else break; } mySerial.flush(); mili = mybuffer << 8 | mybuffer; Serial.print("Distance: "); Serial.print(mili / 25.4); Serial.print (" inches"); Serial.println(); delay(500); }

Приветствую всех. Попал мне в руки недавно ультразвуковой датчик, который измеряет расстояние до объекта - US-100. Подобную вещь можно приобрести на торговых интернет площадках. На рынках своего города таких игрушек в продаже не удалось найти. Было решено построить схему на основе такого датчика на распространенном микроконтроллере AVR ATmega8. Назначение устройства состоит в измерении расстояния до объекта, а также измерения температуры. К слову о температуре. Модель US-100 это ультразвуковой датчик с температурной компенсацией. Скорость распространения звуковой (ультразвуковой) волны при разных температурах будет отличаться. Измерение датчика основано на времени прохождения звуковой волны от объекта до приемника датчика. Температурная компенсация, скорее всего не полностью, устранит погрешность вызванную температурой окружающей среды.

При рассмотрении печатной платы, можно сделать заключение об источнике измерения температуры: термометр находится в микросхеме или измерение температуры идет за счет диода, расположенного на краю платы. При измерении температуры диодом используется его P-N переход и связано это с температурным коэффициентом проводимости. С большой уверенностью это второй вариант, так как при работе ниже приведенной схемы при касании пальцами этого диода, температура изменяется. Так что при измерении лучше всего стараться руками не трогать датчик, чтобы получить более точные данные о расстоянии.

Для измерения датчик использует 2 головки, напоминающие большой микрофон или маленький динамик. По сути это и то, и то. Одна из головок излучает ультразвуковую волну, вторая принимает отраженный сигнал ультразвуковой волны. По времени прохождения определяется пройденное расстояние. По видимому ограничение измеряемого расстояния в 4,5 метра обусловлена мощностью излучателя.

Что относительно общения датчика с микроконтроллером, модель US-100 имеет два возможных интерфейса, выбираемые перемычкой на задней стороне платы датчика. Если перемычка стоит выбран интерфейс UART, если перемычка снята, используется интерфейс или режим работы GPIO. В первом случае для общения с микроконтроллером используется либо аппаратные средства микроконтроллера, либо программные. Во втором случае принимать и передавать данные придется только вручную. В схеме устройства задействуем более простой режим работы с использованием UART интерфейса.

Необходимо уточнить нюансы по распиновке и подключению датчика к микроконтроллеру. Обычно при передачи данных по UART линии Rx и Tx подключаются крест накрест - Rx на Tx, а Tx на Rx. Данный ультразвуковой датчик же нужно подключать в соответствии с подписанными контактами на печатной плате Rx на Rx, а Tx на Tx. Китайцы отожгли, согласен. Прежде чем это определилось, пришлось долго мучиться и в конце концов придти к этому. Итак, при работе по UART, для инициализации одного измерения расстояния ультразвуковому датчику US-100 необходимо на вывод Trig/Tx передать значение 0x55, что соответствует символу "U". В ответ датчик передаст два байта информации о расстоянии на вывод Echo/Rx - первый байт - это старшие 8 бит, второй байт - младшие 8 бит. Единицы измерения расстояния - миллиметры. Чтобы два байта перевести в одно значение расстояния, необходимо первый байт умножить на 256 и прибавить второй байт. Необходимо делать таким образом, потому что при переполнении младшего байта, старший байт увеличивается на единицу. Чтобы вывести текущее значение температуры окружающей среды, необходимо передать значение 0x50, что соответствует символу "P". В ответ датчик передаст значение температуры. Фактическое значение температуры будет равно полученному значению от датчика отнять 45.

Параметры ультразвукового датчика US-100:

напряжение питания - 2,4 - 5,5 вольт постоянного напряжения
потребляемый ток в режиме ожидания - 2 мА
рабочая температура - минус 20 - плюс 70 С
угол обзора - 15 градусов
интерфейс - GPIO или UART
измеряемое расстояние - от 2 см до 450 см
погрешность - плюс минус 3 мм + 1%

Конфигурация UART для датчика: 9600 baud rate, 8 data bits, parity: none, 1 stop bit.

Перейдем к схеме устройства.

Схема ультразвукового дальномера построена на основе микроконтроллера Atmega8 и ультразвуковом датчике US-100. Питание схема берется от линейного стабилизатора напряжения L7805, его можно заменить отечественным аналогом КР142ЕН5А, конденсаторы в обвязке стабилизатора обязательны, хотя может работать и без них. Некоторые стабилизаторы просто не запускаются без конденсаторов. Линейный стабилизатор можно заменить на импульсный, например MC34063 или LM2576, но придется немного изменить схему согласно подключению импульсных стабилизаторов в схеме. Конденсаторы С5-С7 необходимы для обеспечения стабильности работы микроконтроллера и датчика. Номиналы всех конденсаторов можно варьировать в разумных пределах. Резистор R2 необходим для предотвращения самопроизвольного перезапускания микроконтроллера и служит подтяжкой положительного питания на вывод reset. Резистор R1 регулирует контраст LCD-дисплея. В качестве информационной панели был взят жидкокристаллический (ЖК или по другому LCD) экран SC1602, 2 строки по 16 символов на основе контроллера HD44780. Заменить LCD-дисплей можно на любую другую модель на базе контроллера HD44780 с таким же количеством строк и символов в строке или больше. На печатной плате LCD-дисплея есть возможность задействовать подсветку экрана двумя способами - либо при помощи допаивания резистора и перемычки на самой плате экранчика или при помощи специальных выводов, обычно обозначенных как "А" и "К". Анод и катод соответственно. К ним через токоограничительный резистор подключается напряжение питания схемы 5 вольт. В данной схеме задействован первый способ, поэтому на схеме не обозначено. Вместо тактовых кнопок S1 - S5 можно использовать любые другие кнопки. Светодиод LED1 можно использовать любой подходящий по цвету или заменить его на транзистор и управлять какой-либо другой схемой в зависимости от превышения дистанции от датчика. В зависимости от примененного типа транзисторов (P-N-P или N-P-N) при превышении лимита дистанции или расстояния выход будет иметь положительное или отрицательное напряжение, то есть при высоком логическом сигнале микроконтроллера транзистор N-P-N будет открыт, а транзистор P-N-P закрыт. В прошивку микроконтроллера заложен параметр, при котором при превышении обозначенного лимита расстояния на вывод PB0 будет подаваться высокий логический уровень напряжения. В данной схеме светодиод просто сигнализирует о превышении. Данный сигнал дублируется на LCD-дисплее подчеркиванием данный о лимите дистанции. Данный параметр можно регулировать кнопками S1, S2. При нажатии происходит увеличение или уменьшение на 10 мм. Информация о дистанции на дисплей выводится также в миллиметрах. Информация о температуре окружающей среды выводится на дисплей в градусах Цельсия. К статье прилагается два варианта прошивок: 1) непрерывное измерение параметров дистанции и температуры (интервал примерно 0,2 секунды), при этом кнопки S4, S5 не задействуются, 2) при нажатии кнопок S4, S5 происходит однократный запрос к датчику на измерение температуры и расстояния. Видео к статье сделано с прошивкой номер 1. Для программирования микроконтроллера необходимо прошить фьюз биты:

Новичкам рекомендую пользоваться шестнадцатеричными значениями фьюз битов HIGH и LOW, чтобы не напортачить с расстановкой галочек. Скриншот из AVRstudio (есть отличия от дудки, sina prog и других программ для прошивки микроконтроллеров). Если Вы используете программы для прошивки микроконтроллеров AVR, в которых нет ввода параметров фьюзов, то можно воспользоваться фьюз калькуляторами для перевода галочек в шестнадцатеричную форму и наоборот.

Схема была собрана и проверена на макетной плате для Atmega8:

Конструктивно схему можно оформить, например, в виде пистолета с лазерным указателем направления ультразвукового датчика. Единственно ограничено измеряемое расстояния, при превышении которого погрешность резко возрастает. Также ограничение касается положения и размера предмета, до которого измеряется расстояние - расстояние до слишком мелких объектов или объектов находящихся под большим углом будет искажено. Идеальное сочетание достаточно большие предметы, находящиеся перпендикулярно направлению датчика. Погрешность измерений примерно соответствует заявленным производителем. Данное устройство при дальнейшем развитии можно использовать как обнаружитель препятствий, наподобие парктроника в комнатных условиях, так как на улице ультразвуковые головки данного датчика будут забиваться грязью.

Предлагайте свои идеи и варианты применения, наиболее интересные идеи в будущем могут быть реализованы.

К статье прилагаю 2 варианта HEX прошивок для МК, проект в (версия 7.7, ультразвукового датчика US-100 в базе proteus"а нет, но задействован UART отладчик), а также небольшое видео, демонстрирующее работу схемы.

Список радиоэлементов

Обозначение	Тип	Номинал	Количество	Примечание	Мой блокнот
IC1	МК AVR 8-бит	ATmega8	1		В блокнот
VR1	Линейный регулятор	L7805AB	1		В блокнот
HG1	LCD-дисплей	SC1602	1	На базе HD44780	В блокнот
U1	УЗ-датчик	US-100	1		В блокнот
R1	Подстроечный резистор	10 кОм	1	3296W-1-103LF	В блокнот
R2	Резистор	10 кОм	1	0.25 Вт	В блокнот
R3	Резистор	390 Ом	1	0.25 Вт