Ультразвуковой дальномер HC-SR04

С помощью Arduino и датчика HC-SR04 измеряем расстояние до препятствия. Используем последовательный порт (UART). Применяем функции delayMicroseconds(), pulseIn(). Делаем электронный музыкальный инструмент.

Ультразвуковой дальномер HC-SR04 - датчик использующий принцип эхолокации. В живой природе эхолокацию используют летучие мыши для ориентации в темноте и поиска пищи (насекомых). Если вы слышали эхо, вам проще будет понять эхолокацию. Если крикнуть в горах или пустом большом зале, звук вернётся к вам через некоторое время. Ультразвуковая эхолокация использует одно из свойств звуковых волн - это постоянство скорости распространения в воздухе:

V=340,29 м/сек

Ультразвуковой дальномер имеет в своём составе излучатель (transmitter) и приёмник (receiver) ультразвуковых волн см. рис. 1.

Рис. 1. Ультразвуковой дальномер HC-SR04, вид со стороны излучателя (T) и приёмника (R).

Рис. 2. Ультразвуковой дальномер HC-SR04, вид со стороны микросхем.

Излучатель посылает ультразвуковую волну в нужном направлении. Звук доходит до препятствия, отражается от него и возвращается обратно. Время, необходимое для преодоления звуком расстояния от излучателя до препятствия и обратно к приёмнику равно:

T = 2 * S / V

Ультразвуковой датчик расстояния может сообщить нам это время. Датчик возвращает импульс длительностью пропорциональной пройденному ультразвуком расстоянию. А микроконтроллер измеряет длительность этого импульса и по формуле может вычислить из полученного времени расстояние до препятствия:

2*S = T * V = T * 340,29

Так как функция pulseIn(), принимающая от датчика импульс, возвращает нам время в мксек, то нам нужно это время преобразовать в сек., то есть поделить на 1000000, а метры перевести в миллиметры (умножить на 1000) в результате получаем:

S = t * 0,17 = t / 5,88 (мм)

где t, длительность импульса в мксек

Временная диаграмма, поясняющая работу датчика HC-SR04, представлена на рис. 3.

Рис. 3. Временная диаграмма работы датчика HC-SR04

Запуск датчика на измерение дистанции до препятствия осуществляют подачей на его вход Trigger TTL импульса длительностью 10 мкс. По отрицательному фронту запускающего импульса, излучатель датчика (Transmitter) генерирует 8 звуковых импульсов на частоте 40 кГц (в ультразвуковом диапазоне частот). Через время T, звук, отразившись от препятствия, возвращается. Отражённый звук принимает приёмник (Receiver, микрофон) датчика. Получив отражённый сигнал, датчик генерирует на выходе Echo единичный импульс длительностью T (от 150 мкс до 25 мс).

Измерив длительность импульса на выходе датчика с помощью Ардуино, легко вычислить расстояние до препятствия.

Си библиотека Ардуино содержит все средства для работы с ультразвуковым дальномером. Функция

delayMicroseconds(10)

поможет сформировать запускающий импульс длительностью 10 мкс.

Функция

pulseIn(echo, HIGH)

возвращает длительность положительного импульса на входе echo в мкс.

Измерение расстояния до препятствия

Рис. 4. Принципиальная электрическая схема подключения ДАТЧИКА HC-SR04 к Arduino NANO (UNO).

int trig = A5, echo = A4 ;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(trig, OUTPUT);
  pinMode(echo, INPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(trig, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trig, LOW);
  int duration = pulseIn(echo, HIGH);
  Serial.print("Расстояние = ");
  Serial.print(int(duration / 5.8));
  Serial.println(" мм");
  delay(100);
}

Прог. 1. Измерение расстояния с помощью ультразвукового дальномера HC-SR04.

Расстояние = 1739 мм
Расстояние = 1743 мм
Расстояние = 1743 мм
Расстояние = 53 мм
Расстояние = 65 мм
Расстояние = 75 мм
Расстояние = 85 мм
Расстояние = 113 мм
Расстояние = 144 мм
Расстояние = 209 мм
Расстояние = 256 мм
Расстояние = 269 мм
Расстояние = 262 мм

Лист. 1. Отображение измеряемого дальномером расстояния чаез монитор последовательного порта Arduino IDE.

Терменвокс

Терменвокс (theremin или thereminvox) — электромузыкальный инструмент, созданный в 1920 году советским изобретателем Львом Сергеевичем Терменом в Петрограде.

Мы создали электронный музыкальный инструмент, на котором, так же, как и на терменвоксе, музыкант извлекает звуки бесконтактным способом. Так же, как и в терменвоксе, в нашем инструменте высота тона зависит от расстояния руки исполнителя до датчика. Есть в нашем инструменте отличие от терменвокса, в терменвоксе в качестве датчика используется антенна, а в нашем инструменте ультразвуковой датчик расстояния.

Рис. 5. Электронный музыкальный инструмент терменвокс с датчиком HC-SR04

#define NOTE_B0  31
#define NOTE_C1  33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1  37
#define NOTE_DS1 39
#define NOTE_E1  41
#define NOTE_F1  44
#define NOTE_FS1 46
#define NOTE_G1  49
#define NOTE_GS1 52
#define NOTE_A1  55
#define NOTE_AS1 58
#define NOTE_B1  62
#define NOTE_C2  65
#define NOTE_CS2 69
#define NOTE_D2  73
#define NOTE_DS2 78
#define NOTE_E2  82
#define NOTE_F2  87
#define NOTE_FS2 93
#define NOTE_G2  98
#define NOTE_GS2 104
#define NOTE_A2  110
#define NOTE_AS2 117
#define NOTE_B2  123
#define NOTE_C3  131
#define NOTE_CS3 139
#define NOTE_D3  147
#define NOTE_DS3 156
#define NOTE_E3  165
#define NOTE_F3  175
#define NOTE_FS3 185
#define NOTE_G3  196
#define NOTE_GS3 208
#define NOTE_A3  220
#define NOTE_AS3 233
#define NOTE_B3  247
#define NOTE_C4  262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4  294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4  330
#define NOTE_F4  349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4  392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4  440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4  494
#define NOTE_C5  523
#define NOTE_CS5 554
#define NOTE_D5  587
#define NOTE_DS5 622
#define NOTE_E5  659
#define NOTE_F5  698
#define NOTE_FS5 740
#define NOTE_G5  784
#define NOTE_GS5 831
#define NOTE_A5  880
#define NOTE_AS5 932
#define NOTE_B5  988
#define NOTE_C6  1047
#define NOTE_CS6 1109
#define NOTE_D6  1175
#define NOTE_DS6 1245
#define NOTE_E6  1319
#define NOTE_F6  1397
#define NOTE_FS6 1480
#define NOTE_G6  1568
#define NOTE_GS6 1661
#define NOTE_A6  1760
#define NOTE_AS6 1865
#define NOTE_B6  1976
#define NOTE_C7  2093
#define NOTE_CS7 2217
#define NOTE_D7  2349
#define NOTE_DS7 2489
#define NOTE_E7  2637
#define NOTE_F7  2794
#define NOTE_FS7 2960
#define NOTE_G7  3136
#define NOTE_GS7 3322
#define NOTE_A7  3520
#define NOTE_AS7 3729
#define NOTE_B7  3951
#define NOTE_C8  4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8  4699
#define NOTE_DS8 4978

int trig = A5, echo = A4 ;
int speaker = 8;
int selected = 0;

void setup() {
  //Serial.begin(9600);
  pinMode(trig, OUTPUT);
  pinMode(echo, INPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(trig, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trig, LOW);
  int duration = pulseIn(echo, HIGH);
  if (duration > 2400 or (duration < 200 and duration > 0)) {
    noTone(speaker);
    selected = 0;
  }
  if (duration > 200 and duration < 400 and selected != 400) {
    tone(speaker, NOTE_A4);
    selected = 400;
  }
  if (duration > 400 and duration < 600 and selected != 600) {
    tone(speaker, NOTE_AS4);
    selected = 600;
  }
  if (duration > 600 and duration < 800 and selected != 800) {
    tone(speaker, NOTE_B4);
    selected = 800;
  }
  if (duration > 800 and duration < 1000 and selected != 1000) {
    tone(speaker, NOTE_C5);
    selected = 1000;
  }
  if (duration > 1000 and duration < 1200 and selected != 1200) {
    tone(speaker, NOTE_CS5);
    selected = 1200;
  }
  if (duration > 1200 and duration < 1400 and selected != 1400) {
    tone(speaker, NOTE_D5);
    selected = 1400;
  }
  if (duration > 1400 and duration < 1600 and selected != 1600) {
    tone(speaker, NOTE_DS5);
    selected = 1600;
  }
  if (duration > 1600 and duration < 1800 and selected != 1800) {
    tone(speaker, NOTE_E5);
    selected = 1800;
  }
  if (duration > 1800 and duration < 2000 and selected != 2000) {
    tone(speaker, NOTE_F5);
    selected = 2000;
  }
  if (duration > 2000 and duration < 2200 and selected != 2200) {
    tone(speaker, NOTE_FS5);
    selected = 2200;
  }
  if (duration > 2200 and duration < 2400 and selected != 2400) {
    tone(speaker, NOTE_G5);
    selected = 2400;
  }
  //Serial.println(selected);
  delay(128);
}

Прог. 2. Электронный музыкальный инструмент терменвокс с датчиком HC-SR04

#define NOTE_B0  31
#define NOTE_C1  33
#define NOTE_CS1 35
#define NOTE_D1  37
#define NOTE_DS1 39
#define NOTE_E1  41
#define NOTE_F1  44
#define NOTE_FS1 46
#define NOTE_G1  49
#define NOTE_GS1 52
#define NOTE_A1  55
#define NOTE_AS1 58
#define NOTE_B1  62
#define NOTE_C2  65
#define NOTE_CS2 69
#define NOTE_D2  73
#define NOTE_DS2 78
#define NOTE_E2  82
#define NOTE_F2  87
#define NOTE_FS2 93
#define NOTE_G2  98
#define NOTE_GS2 104
#define NOTE_A2  110
#define NOTE_AS2 117
#define NOTE_B2  123
#define NOTE_C3  131
#define NOTE_CS3 139
#define NOTE_D3  147
#define NOTE_DS3 156
#define NOTE_E3  165
#define NOTE_F3  175
#define NOTE_FS3 185
#define NOTE_G3  196
#define NOTE_GS3 208
#define NOTE_A3  220
#define NOTE_AS3 233
#define NOTE_B3  247
#define NOTE_C4  262
#define NOTE_CS4 277
#define NOTE_D4  294
#define NOTE_DS4 311
#define NOTE_E4  330
#define NOTE_F4  349
#define NOTE_FS4 370
#define NOTE_G4  392
#define NOTE_GS4 415
#define NOTE_A4  440
#define NOTE_AS4 466
#define NOTE_B4  494
#define NOTE_C5  523
#define NOTE_CS5 554
#define NOTE_D5  587
#define NOTE_DS5 622
#define NOTE_E5  659
#define NOTE_F5  698
#define NOTE_FS5 740
#define NOTE_G5  784
#define NOTE_GS5 831
#define NOTE_A5  880
#define NOTE_AS5 932
#define NOTE_B5  988
#define NOTE_C6  1047
#define NOTE_CS6 1109
#define NOTE_D6  1175
#define NOTE_DS6 1245
#define NOTE_E6  1319
#define NOTE_F6  1397
#define NOTE_FS6 1480
#define NOTE_G6  1568
#define NOTE_GS6 1661
#define NOTE_A6  1760
#define NOTE_AS6 1865
#define NOTE_B6  1976
#define NOTE_C7  2093
#define NOTE_CS7 2217
#define NOTE_D7  2349
#define NOTE_DS7 2489
#define NOTE_E7  2637
#define NOTE_F7  2794
#define NOTE_FS7 2960
#define NOTE_G7  3136
#define NOTE_GS7 3322
#define NOTE_A7  3520
#define NOTE_AS7 3729
#define NOTE_B7  3951
#define NOTE_C8  4186
#define NOTE_CS8 4435
#define NOTE_D8  4699
#define NOTE_DS8 4978

int trig = A5, echo = A4 ;
int speaker = 8;
int selected = 0;

void setup() {
  //Serial.begin(9600);
  pinMode(trig, OUTPUT);
  pinMode(echo, INPUT);
}

void loop() {
  digitalWrite(trig, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trig, LOW);
  int duration = pulseIn(echo, HIGH);
  int n = duration / 200;
  if (n > 10 or n == 0) {
    noTone(speaker);
    selected = 0;
  }
  if (selected != n) {
    selected = n;
    switch (n) {
      case 1:
        tone(speaker, NOTE_A4);
        break;
      case 2:
        tone(speaker, NOTE_AS4);
        break;
      case 3:
        tone(speaker, NOTE_B4);
        break;
      case 4:
        tone(speaker, NOTE_C5);
        break;
      case 5:
        tone(speaker, NOTE_CS5);
        break;
      case 6:
        tone(speaker, NOTE_D5);
        break;
      case 7:
        tone(speaker, NOTE_DS5);
        break;
      case 8:
        tone(speaker, NOTE_E5);
        break;
      case 9:
        tone(speaker, NOTE_F5);
        break;
      case 10:
        tone(speaker, NOTE_FS5);
        break;
    }
  }
  //Serial.println(n);
  delay(128);
}

Прог. 3. Электронный музыкальный инструмент терменвокс с датчиком HC-SR04

Arduino