Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

Autor: Lukas Honerlage
Betreuer: Prof. Schneider

Aufgabe

In diesem Artikel werden folgenden Punkte abgearbeitet:
Es wird der Ultraschall Abstandssensor HC-SR04 verwendet
Wie funktioniert der Sensor?
Welche Rohsignale liefert der Sensor?
Wie funktioniert die Signalvorverarbeitung
Sollen Messwerte oder vorverarbeitete Daten übertragen werden?
Wie lässt sich eine Vorverarbeitung umsetzen?
Wird eine Kennlinie eingesetzt? Wenn ja, wie wird diese kalibriert?
Analog-Digital-Umsetzer
Wie werden die analogen Signale umgesetzt?
Welcher ADU kommt zum Einsatz?
Welche Gründe sprechen für diesen ADU? Alternativen?
Bussystem
Wird ein Bussystem zwischen Sensor und Mikrocontroller eingesetzt?
Wenn ja, wie funktioniert dieses Bussystem?
Digitale Signalverarbeitung
Welche Verarbeitungsschritte sind notwendig?
Welche Filter werden angewendet?
Bestimmen Sie Auflösung, Empfindlichkeit und Messunsicherheit des Sensors.
Bewertung der Sensordaten
Welche Fehler treten in welchem Verarbeitungsschritt auf?
Stellen Sie die Messunsicherheit bzw. das Vertrauensintervall dar.

Einleitung

In dem Projekt wird ein Ultraschall-Sensormodul (HC-SR04) in betrieb genommen. Ebenfalls wird ein LCD-Display über die Schnittstelle iC2 angeschlossen, auf dem die Distanz angezeigt wird. Es wird das Arbeitsprinzip von einem HC-SR04 erläutert. Ebenfalls wird beschrieben, wie eine Messung mit Ultraschall Funktioniert und von welchen wesentlich Faktoren diese Abhängt. Die Inbetriebnahme wird mit den Arduino Board UNO durchgeführt. Zu Erläuterung wird ein Ausschnitt vom Seriellen Monitor gezeigt und erläutert welche Rohsignale (RAW) vom HC-SR04 an den Arduino gesendet werden. Des Weiteren wird die Softwareseitige Verarbeitung der Signale erklärt und wie der HC-SR04 mit dem vom Arduino in betrieben werden kann.

Technische Übersicht

Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

Eigenschaft	Daten
Spannungsversorgung	VCC 5 V
Stromaufnahme	15 mA
Messbereich	3 cm bis ca. 400 cm
Messintervall	0,3 cm
Messung pro Sekunde	max. 50
Messfrequenz	40 Hz
Messkegel	ca. 15° Hz
Abmessung (l,b,h)	45 mm x 25 mm x 20 mm
Kompatibel mit	Raspberry Pi, Arduino, pcDuino

Pin	Funktion
1. VCC-Pin	5 V
2. Trigger-Pin	TTL-Pegel
3. Echo-Pin	Messergebnis, TTL-Pegel
4. GND	0 V

LCD1602

Pin	Funktion	Einheit
1. Modulgröße	87,0Lx32,0Wx13,0H V	mm
2. Bereich anzeigen	64,5×16,0	mm
3. Anzahl der Zeichen	M16×2 Zeilen	-
4. Character Size	2.96×5.56 V	mm

Equipment

Verwendete Software

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Software verwendet:

• Arduino Software IDE 1.8.13
• MATLAB/Simulink 2020b
• Fritzing
• Tortoise SVN

Verwendete Komponente

Für die Abarbeitung der obgenannten Aufgabestellungen wurde folgenden Komponente eingesetzt:

• Ultraschall Abstandssensor: HC-SR04
• LCD Display mit I2C Anschluss
• Arduino UNO R3 (AZ-Delivery Edition)

Messkette

Die Messkette des HC-SR04. In dem Bild sind die Schaltung und die Bauteile zu erkennen.

Interner Schaltplan des Moduls

Mikrocontroller U1 EM78P153 8-Bit-Mikroprozessoren

Der Mikrocontroller stellst die Schnittstelle zu den Triger und Echopin.
Timing und Senden eines gegenphasigen Bursts, damit der Ping gesendet werden kann
Squelch-Steuerung, bei der während der Ultraschallübertragung ein Schwellenwert für den eingehenden Empfänger effektiv deaktiviert wird, um falsche Echos 
 zu vermeiden. Dies ist wichtig, da beim Senden von Vibrationen vom TX-Wandler die Leiterplatte und die Luft zwischen den Wandlern des RX-Wandlers 
 empfangen werden.
Das Empfangen des verarbeiteten Signals vom Empfängerabschnitt als Interrupt (steigende Flanke) ist tatsächlich eine gefilterte und stark verstärkte 
 Version aller empfangenen Echos.

• Bussystem

Für den Sensor wird kein Bussystem benötigt.

Hardwareaufbau

Schaltung des Bauteils

Der Hardwareaufbau besteht aus dem Anschluss des Ultrasschallsensors und dem LCD-Display. Der HC-SR04 benötigt vier Anschlüsse. Es werden VCC und GND für die Versorgungsspannung benötigt. Die anderen beiden sind für den Trigger Impulse und das Echo Signal. Der Trigger-Pin wird auf Pin 10 am Arduino angeschlossen und wird in der Software als Output-Pin deklariert. Echo-Pin wird auf Pin 11 am Arduino angeschlossen und liefert das Messergebnis vom Ultraschallsensors. In der Software wird das Signal als Input-Pin deklariert.

Das LCD-Display ist fest mit einem LMC1620 IIC verbunden. Dieses Modul erleichtert die Kommunikation mit dem Arduino erheblich. Durch iC2 können die benötigten Pins auf vier reduziert werden. VCC und GND werden für die Spannungsversorgung eingesetzt. Die Anschlüsse Serial Data Line (SDA) und Serial Clock Line (SCL) vom LMC1620 IIC werden für die Kommunikation mit dem Arduino benötigt und an die Analog-Pins A4 und A5 angeschlossen. Das Bord enthält ebenfalls noch ein Potentiometer zum Einstellen der Hintergrundbeleuchtung.

Prinziperklärung Ultraschallmessung

Das Prinzip eines Ultraschallsensormoduls ist ein Laufzeitverfahren. Der HC-SR04 enthält ein Lautsprecher welches einen Ultraschall Impuls aussendet. Dieses Signal wird beim auftreffen auf einen Widerstand ( Ein Physisches Objekt ) reflektiert wie ein Echo. Wenn das Reflektierte Signale zurückkommt wird es rechten Sensor wieder aufgenommen. Um die Distanz zu dem Objekt zu bestimmen wird die Zeit vom Ausgehenden Signal bis zum wieder eintreffen des Echos gemessen. Durch die Schallgeschwindigkeit und die Verstrichene Zeit kann durch eine Berechnung eine Zeit ermittelt werden.

Der Sensor ist Intern so aufgebaut, dass der Lautsprecher Getriggert werde kann und eine Hochfrequentes Signal von 40kHz aussendet wird. Wenn dieses Signal zurückkommt wird dieses Digital aufgenommen. Das Signal an den Arduino ist entweder eine 0 kein Signal oder eine 1 Signal empfangen.

$Strecke = v_{Luft} \cdot \dfrac {t_{mess}}{2}$

Signalverarbeitung

Mathematisches Hilfsmittel

Um Schallgeschwindigkeit zu berechnen ist es wichtig, sich mit den äußeren Gegebenheiten auseinander zu setzten. Die Schallgeschwindigkeit ist abhängig vom der Elastizität, Dichte und der Temperatur. In diesem Versuch wird die Temperatur nicht gemessen. Der Versuch wird in einem geschlossenen Raum durchgeführt deswegen wird festgelegt, dass mit einer Schallgeschwindigkeit von 343,5 m/s gerechnet wird.

Die Schallgeschwindigkeit bei Trockener Luft und einer Temperatur von 20°C betragt 343,5 m/s (1236 km/h). Wir nehmen bei unseren Berechnungen 343,5 m/s als Schallgeschwindigkeit an.

Übersicht der Schallgeschwindigkeit bei Temperatur

Temperatur	Schallgeschwindigkeit [m/s]	Schallgeschwindigkeit [km/h]
-50	299,63	1079
-40	306,27	1103
-30	312,77	1126
-20	319,09	1149
-10	325,35	1171
0	331,50	1193
10	337,54	1215
20	343,46	1236
30	349,29	1257
40	254,94	1278
50	360,57	1298

Für trockene Luft Molmasse $M = 0,02896 \dfrac {kg}{mol}$

$C_{Luft} \approx \sqrt{ 1 {,402} \cdot \dfrac {8,3145 \dfrac {J}{mol K} \cdot 293,15K}{0,02896 \dfrac {kg}{mol} }} = 343,5\dfrac {m}{s}$

Quellenverzeichnis

https://www.mikrocontroller.net/attachment/218122/HC-SR04_ultraschallmodul_beschreibung_3.pdf
http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/electronics.php
http://www.pcserviceselectronics.co.uk/arduino/Ultrasonic/HC-SR04-cct.pdf
https://cdn-reichelt.de/documents/datenblatt/A300/SEN-US01-DATASHEET.pdf
https://www.sunfounder.com/learn/sensor-kit-v2-0-for-arduino/lesson-1-display-by-i2c-lcd1602-sensor-kit-v2-0-for-arduino.html
https://www.mouser.com/pdfdocs/DFR0464Datasheet.pdf
https://elektro.turanis.de/html/prj121/index.html#:~:text=Ultraschallmodul%20HC%2DSR04,-Beschreibung&text=Nach%20Triggerung%20mit%20einer%20fallenden,Messungen%20pro%20Sekunde%20durchgef%C3%BChrt%20werden.
https://arduino-projekte.webnode.at/meine-libraries/ultraschallsensor/
https://www.rahner-edu.de/mikrocontroller/prop-sensoren-et-al/ultraschallsensor/

3. https://elektro.turanis.de/html/prj121/index.html

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