Ultraschallsensor HC-SR04, einfach erklärt!

Ultraschall Abstandssensor HC-SR04

Der HC-SR04 Sensor misst mittels Ultraschall die Entfernung zu Objekten. Er kann bis auf 3 mm genau messen und kann für eine Distanz von 2 cm bis zu 4 Meter eingesetzt werden. Er wird sehr gerne in der Robotertechnik eingesetzt, um damit berührungslos die Entfernung zu messen oder um den Füllstand von einem Behälter zu ermitteln. Dazu wird über einem Ultraschallwandler ein Signal mit 40 kHz gesendet und mit einem Empfänger wird das gesendete Signal, dass von einem Objekt reflektiert wird, gemessen. Die dazu benötigte Zeit wird verwendet um die Entfernung zu einem Objekt berechnen zu können.

Am genauesten ist der Sensor, wenn sich das zu erfassende Objekt direkt vor ihm befindet, aber der Sensor kann auch Objekte detektieren, die sich in einem 30 Grad Fenster befinden. 15 Grad auf jeder Seite.

Was ist Ultraschall

Als Ultraschall bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des Hörfrequenzbereichs des Menschen.

Wie funktioniert der HC-SR04 Sensor?

Der HC-SR04 Sensor verwenden Ultraschallimpulse um die Entfernung zwischen dem Sensor und einem Objekte zu ermitteln. Der Sensor besteht aus zwei Hauptkomponenten. Einem Ultraschallsender, der die Ultraschallimpulse mit 40 kHz sendet und einem Ultraschallempfänger, der die gesendeten Pulse empfängt.

Der HC-SR04 hat vier Anschlüsse:
VCC – die positive 5 Volt-Stromversorgung
Trig – der „Trigger“-Pin, der zum Senden der Ultraschallimpulse angesteuert wird
Echo – der „Echo“-Pin, der einen Impuls erzeugt, wenn das reflektierte Signal empfangen wird
GND – der Minus-pol der Stromversorgung

Ablauf ohne Reflexion.
Alles beginnt mit einem Impuls (HIGH) von 10 µS auf dem Trigger-Pin. Danach sendet der Sensor acht Impulse mit je 40 kHz aus. Diese Ultraschallsignatur ermöglicht es dem Sensor, das gesendete Muster von den Ultraschallgeräuschen der Umgebung zu unterscheiden.
Die acht Ultraschallimpulse wandern durch die Luft weg vom Sender. In der Zwischenzeit wird der Echo-Pin auf HIGH gesetzt, um den Beginn des Echo-Rücksignals zu bilden.
Wenn dieser Impuls nicht zurückreflektiert wird, dann wird nach 38 mS das Signal vom Sensor auf LOW zurückgesetzt. Zum besseren Verständnis sehen wir uns die Grafik über den Ablauf an.

Ablauf mit Reflexion.

Wenn die Ultraschallimpulse auf ein Objekt stossen, werden sie zum Sensor zurück reflektiert und der Echo-Pin wird auf LOW gesetzt. Je nachdem wie weit das Objekt entfernt ist, kann das zwischen 150 µS und 25 mS dauern, bis das Signal empfangen wird.
Diese Zeit können wir benutzen, um zu berechnen, wie weit ein Objekt vom Sensor entfernt ist.

Bevor wir uns an die Berechnung wagen, sehen wir uns zuerst die Grafik über den Funktionsablauf bei einer Reflexion an.
Der Trigger-Pin wird für 10 µS auf HIGH gesetzt und der Transmittier sendet die acht Impulse aus. Wenn diese Impulse auf ein Objekt treffen werde die Ultraschallwellen reflektiert und können vom Receiver detektiert werden, der den Echo-Pin auf LOW setzt.

Wie berechnet man die Entfernung?

Der Sensor sendet Schallwellen aus, die sich bei 20 °C mit der Schallgeschwindigkeit von 343 m/s durch die Luft bewegen. Umgerechnet auf sind das 0,034 cm/µs.

Als Beispiel nehmen wir an, dass ein Objekt vor dem Sensor steht und wir vom Sensor einen Impuls, mit einer Breite von 500 µS am Echo-Pin empfangen. Um jetzt die Entfernung berechnen zu können benötigen wir folgende Formel.

Wir können jetzt die Schallgeschwindigkeit in µs und die Zeit vom Sensor in µs in die Formel einsetzen.
Aber ACHTUNG! Vergesst nicht, dass der Impuls die Zeit angibt, die das Signal benötigt, um ausgesendet und reflektiert zu werden. Um die richtige Entfernung zu erhalten, müsst ihr das Ergebnis deshalb halbieren.

Entfernung = (0,034 cm/µs x 500 µS) / 2 = 8,5 cm

Beispiel Aufbau

Source Code

Ultraschall Entfernungssensor

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