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Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung

grala1 3621 3
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  • Hallo an alle
    Heute versuche ich, euch den HC-SR04-Fühler, auch Ultraschall-Entfernungsmesser genannt, zu beschreiben. Mit diesem Fühler können wir die Entfernung zwischen dem Fühler und dem Hindernis "berührungslos" messen.
    Die Stromversorgung des Fühlers liegt bei 5 V, Stromverbrauch passiv - bis zu 2 mA - der Fühler wartet auf das Signal für die Messung, aktiv - 15 mA - der Fühler misst die Entfernung, Messgenauigkeit: 0,3 cm, Messwinkel: 30°, Betriebsfrequenz: 40 kHz, minimaler Bereich: 2 cm, maximaler Bereich: 400 cm.
    Abmessungen des Fühlers: 45x20x15 mm. Es sollte jedoch beachtet werden, daß die Fühlerplatine eine vierpolige Stiftleiste hat, daher sind die Abmessungen 45x26x18 mm. Der von mir gemessene Strom beträgt im passiven Zustand 3,5 mA und im aktiven Zustand 6,5 mA.

    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und BewertungUltraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Die Preise für den Fühler auf deutschen Auktionsportalen beginnen ab etwa 1-, EUR, während wir ihn auf chinesischen Websites für etwa 0,75 USD kaufen können. Für den Fühler können verschiedene Gehäusen oder Griffe erworben werden.
    Der Fühler hat vier Anschlüsse: VCC - Stromversorgung, Trig - Eingangssignal, das die Messung startet, Echo - der Ausgang, an dem ein Rechtecksignal erscheint,
    dessen Dauer von der gemessenen Entfernung abhängt, GND - Masse.

    Funktionierungsprinzip des Fühlers
    Am Trig-Eingang geben wir ein einzelnes Rechtecksignal mit einer Dauer von nicht weniger als 10 µS. Danach sendet der Fühler 8 kurze Ultraschallwellen mit einer Frequenz von 40 kHz, die von einem Hindernis abprallen und zum Fühler zurückkehren. Bei der Messung erscheint ein einzelnes Rechtecksignal am Echo-Ausgang, dessen Dauer von der Entfernung zwischen Fühler und Hindernis abhängt. In der Dokumentation finden wir Informationen, daß sich der Abstand zwischen Fühler und Hindernis aus der Abhängigkeit berechnen läßt:
    S [cm] = t [µs] / 58
    Um die Entfernung in Zoll zu bestimmen, sollte die erhaltene Zeit durch 148 geteilt werden.
    Der Hersteller empfiehlt, daß die Oberfläche, von der die Schallwellen reflektiert werden, glatt, und mindestens 0,5 m² groß ist, anderenfalls kann das Messergebnis beeinflußt werden. In der Dokumentation finden wir auch eine Empfehlung, daß die Masse vor dem VCC zuerst an den Fühler angeschlossen werden sollte.
    Befindet sich das Objekt, nach Einspeisen des Trig-Eingangs mit einem Signal, außerhalb des Fühlerbereichs, erscheint am Echo-Ausgang ein Signal 38 ms.

    Unten stelle ich die Messergebnisse von mehreren Entfernungen vor.

    10 cm:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer: 0,575 ms=575 µs, Ergebnis: 575/58=9,91 cm

    20 cm:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer: 1,173 ms=1173 µs, Ergebnis: 1173/58=20,22 cm

    40 cm:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer: 2,389 ms=2389 µs, Ergebnis: 2389/58=41,18 cm

    50 cm:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer: 2,9 ms=2900 µs, Ergebnis: 2900/58=50 cm

    198 cm:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer: 11,58 ms=11580 µs, Ergebnis: 11580/58=199,65 cm

    315 cm:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer: 18,4 ms=18400 µs, Ergebnis: 18400/58=317,24 cm

    Es sollte berücksichtigt werden, daß diese Messungen zu Hause und nicht in einem Labor durchgeführt wurden. Daher kann es zu Fehlern kommen, beim Aufstellen des Hindernisses in einem bestimmten Abstand vom Fühler. Außerdem ist es möglich, daß der Fühler nicht exakt in einem Winkel von 90° zum Hindernis aufgestellt wurde.
    Es ging vielmehr darum, im Allgemeinen die Leistung des Fühlers zu prüfen und nicht die vom Hersteller angegebene Genauigkeit.
    Aus Neugierde wollte ich prüfen, was passiert, wenn dem Trig-Eingang, anstelle eines einzelnen Signals, eine Rechteckwelle mit einer Frequenz von 50 kHz und 50 % Füllung gegeben wird, das heißt, hoher Zustand wird 10 µs betragen.

    Es sieht so aus:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung

    Man kann sehen, daß am Ausgang des Echos kein einzelnes Signal erscheint, sondern eine Folge von Signalen, wobei die Dauer des Hoch-Zustands in diesem Fall 11,53 ms beträgt, was einen Abstand von 198,79 cm ergibt, wobei der wirkliche Abstand des Fühlers vom Hindernis 198 cm beträgt.
    Wie man sieht, man kann auf diese Weise eine kontinuierliche Entfernungsmessung durchführen. Ich entschied mich zu prüfen, was passiert, wenn die Zeiten am Trig-Eingang kürzer werden als vom Hersteller empfohlen, oder sogar länger, aber wenn ein einzelnes rechteckiges Signal am Eingang vorhanden ist.

    Signaldauer am Eingang 5 µs:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer am Ausgang 11,51 ms, was macht 198,44 cm

    Signaldauer am Eingang 20 µs:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer am Ausgang 11,53 ms, was macht 198,79 cm

    Signaldauer am Eingang 50 µs:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer am Ausgang 11,51 ms, was macht 198,44 cm

    Signaldauer am Eingang 100 µs:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer am Ausgang 11,58 ms, was macht 199,65 cm

    Signaldauer am Eingang 1 ms:
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Signaldauer am Ausgang 11,56 ms, was macht 199,31 cm

    Bei gleicher Entfernung wurde ein Rechtecksignal gegeben mit einer Frequenz von 5 kHz und einer Füllung von 50 %.
    Ultraschallfühler HC-SR04 - Beschreibung und Bewertung
    Ergebnis ist 11,56 ms, was macht 199,31 cm

    Wie man sieht, die Änderung der Dauer des Trig-Signals, oder die Bereitstellung einer rechteckigen Wellenform, hat eher keinen Einfluß auf die Änderung des Messergebnisses der getesteten Entfernung. Der Hersteller empfiehlt jedoch in der Dokumentation ein Signal mit einer Länge von mindestens 10 µs anzugeben.
    Vorher dachte ich, dieser Fühler wäre schwieriger zu bedienen, aber wie man sieht, ist er ziemlich einfach, und es ist auch einfach, Entfernungen damit zu messen.
    Im Netzwerk kann man Beispiele finden, für die Verwendung dieses Fühlers mit Arduino oder Programmen in C oder Bascom.
    Für die Messungen habe ich den 8-Kanal-Analysator Saleae verwendet.
    Fühlerdokumentation im Anhang.

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    Über den Autor
    grala1
    Spezialist VAG-Gruppe
    Offline 
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  • #2
    Zubiik
    Niveau 12  
    Haben Sie überprüft, was mit dem Sensor passiert, wenn kein Echo kommt?
    Ich habe mehrere Stücke zur Verfügung, die sich aufhängen, wenn das Signal nicht kommt.
  • #3
    grala1
    Spezialist VAG-Gruppe
    Ich habe es nicht überprüft. Ich müsste damit nach draußen gehen und der Laptop-Akku hält nicht mehr lange.
    Vielleicht kann ich es am Wochenende mal ausprobieren.
  • #4
    rb401
    Niveau 35  
    grala1 hat geschrieben:
    [...] die Bereitstellung einer rechteckigen Wellenform, hat eher keinen Einfluß auf die Änderung des Messergebnisses der getesteten Entfernung.

    Dieses Experiment mit einem dichten Rechteck ist, meiner Meinung nach, aus irgendeinem Grund sehr interessant.
    Hier besteht die Möglichkeit, diesen Sensor als rein analog (PWM) in diesem Modus zu verwenden, nachdem das Echo-Signal mit einem einfachen RC-Filter versehen wurde. Zum Beispiel in Situationen, in denen die Verwendung eines µC nicht rentabel ist oder nur ein analoger Eingang verfügbar ist. Es genügt irgendwelcher Generator, auch ohne besondere Anforderungen an die Frequenzstabilität usw.
    Es ist nur nicht klar, ob die "tote" Zeit zwischen den Antworten auf Echo (die in Ihren Diagrammen irgendwo 0,5 ms beträgt)) als dauerhaft behandelt werden kann. Wenn dies der Fall wäre, hätte PWM für einen Abstand von einigen Dutzend Zentimetern einen großen Bereich von Änderungen des Füllfaktors und wäre daher auch in sehr einfachen Systemen, wie dem Schmitt-Trigger plus Aktuator usw., leicht zu verwenden, wobei die Genauigkeit und Wiederholbarkeit ziemlich gut sind.
    Es ist aber noch die Frage des Aufhängens, wie Kollege Zubiik signalisiert.