Ένας τρόπος για να μετράμε αποστάσεις ηλεκτρονικά, είναι με την χρήση της μεθόδου της ανάκλασης των υπερήχων. Οι υπέρηχοι είναι ηχητικά κύματα που διαδίδονται στον αέρα και έχουν συχνότητες πάνω από 20.000Ηz. Το ανθρώπινο αυτί μπορεί να ακούσει ηχητικά κύματα μεταξύ 20Hz έως 20.000Ηz. Για ήχους συχνότητας μεγαλύτερης από 20.000Ηz, που ονομάζονται υπέρηχοι, δεν προκαλούν την αίσθηση της ακοής για το ανθρώπινο αυτί.
Σε αυτό το εδάφιο θα εξετάσουμε τον υπερηχητικό αισθητήρα HC-SR04 ο οποίος μπορεί να αναγνωρίσει εμπόδια με την μέθοδο της ανάκλασης υπερήχων τα οποία βρίσκονται σε απόσταση μικρότερη από 400cm. Ο αισθητήρας αυτός έχει πολλά πλεονεκτήματα όπως τη μικρή κατανάλωση (μπορεί να τροφοδοτηθεί από μπαταρίες), είναι φθηνός, εύκολος χειρισμός και είναι δημοφιλής στους χομπίστες.
Ο HC-SR04 αποτελείται από δυο υπερηχητικούς transducers, ο ένας δρα σαν πομπός που εκπέμπει ηλεκτρικό σήμα συχνότητας 40ΚΗz με την μορφή υπερηχητικών παλμών, ενώ ο άλλος είναι διαμορφωμένος σαν δέκτης, ο οποίος παράγει στην έξοδο του ακροδέκτη echo ένα παλμό, του οποίου το πλάτος μπορεί να χρησιμοποιηθεί για να ορίσει την απόσταση που διανύουν οι υπερηχητικοί παλμοί.
Ο αισθητήρας είναι μικρός σε μέγεθος, εύκολος στη χρήση και μπορεί να χρησιμοποιηθεί σε ρομποτικές κατασκευές, ανιχνεύοντας αντικείμενα σε απόσταση μεταξύ 2cm και 400cm με ακρίβεια 3mm. Λειτουργεί με τάση 5V και μπορεί να χρησιμοποιηθεί με το Arduino ή με άλλον μικροελεγκτή που χρησιμοποιεί λογική 5V.
Χαρακτηριστικά του υπεηχητικού αισθητήρα HC-SR04
Διάταξη ακροδεκτών του HC-SR04
Vcc Τροφοδοσία τάσης DC στα 5V
Trig Σκανδαλισμός για αποστολή υπερηχητικών παλμών
Echo Παράγει ένα παλμό έως το ανακλώμενο σήμα ληφθεί. Το πλάτος του παλμού είναι ανάλογο με την απόσταση που διανύει το υπερηχητικό κύμα από τη στιγμή της εκπομπής έως τη λήψη του.
GND Συνδεση στα 0V
Μέθοδος μέτρησης αποστάσεων με υπερήχους
Ας δούμε τον τρόπο με τον οποίο λειτουργεί ο αισθητήρας HC-SR04. Η διαδικασία ξεκινά με την αποστολή ενός παλμού από τον μικροελεγκτή στον ακροδέκτη Trigger του αισθητήρα, διάρκειας το λιγότερο 10μS. Σαν ανταπόκριση ο αισθητήρας στέλνει μια ριπή από υπερηχητικούς παλμούς συχνότητας 40ΚΗz, ενώ ταυτόχρονα με την αρχή της εκπομπής ο ακροδέκτης echo μεταβαίνει από LOW σε HIGH. Ο τρόπος εκπομπής των παλμών είναι τέτοιος που επιτρέπει στο δέκτη να διακρίνει το εκπεμπόμενο σήμα από το θόρυβο.
Από τη στιγμή της εκπομπής έως την λήψη του υπερηχητικού πακέτου το σήμα στον ακροδέκτη echo είναι HIGH. Το σήμα echo θα γυρίσει σε LOW με τη λήψη του ανακλώμενου σήματος. Το πλάτος αυτού του παλμού στον ακροδέκτη echo ορίζει την απόσταση του αισθητήρα από το εμπόδιο.
Στην περίπτωση που το υπερηχητικό σήμα δεν ανακλαστεί, ο παλμός στον ακροδέκτη echo θα πάρει την μέγιστη τιμή 38mS και έπειτα θα γυρίσει σε LOW. Το σήμα echo είναι HIGH καθ’ όλη τη διάρκεια της κίνησης των υπερηχητικών παλμών πρόσπτωσης και ανάκλασης προς το αντικείμενο.
Η διάρκεια του παλμού HIGH του σήματος echo ορίζει την απόσταση του αντικειμένου από τον αισθητήρα. Ο παλμός echo έχει πλάτος από 150μS έως 25mS που εξαρτάται από το χρόνο που πήρε από την εκπομπή μέχρι να ληφθεί το υπερηχητικό σήμα.
Το πλάτος του εισερχόμενου παλμού στον ακροδέκτη Echo χρησιμοποιείται για την εύρεση της απόστασης του αισθητήρα από το αντικείμενο στο οποίο ανακλώνται οι υπέρηχοι. Όπως μάθαμε στο σχολείο η απόσταση του αντικειμένου από τον HC-SR04 υπολογίζεται από την σχέση:
Απόσταση = Ταχύτητα Χ Χρόνος
Όπου η ταχύτητα είναι η ταχύτητα διάδοσης των υπερήχων στον αέρα και χρόνος είναι η χρονική διάρκεια που οι υπερηχητικοί παλμοί χρειάζονται να καλύψουν μια καθορισμένη απόσταση.
Ας κάνουμε ένα παράδειγμα για να το δούμε σαφέστερα. Υποθέτουμε ότι έχουμε ένα αντικείμενο μπροστά στον αισθητήρα σε άγνωστη απόσταση και λαμβάνουμε ένα παλμό πλάτους 650μS στον ακροδέκτη Echo. Για να υπολογίσουμε την απόσταση χρησιμοποιούμε την προηγούμενη σχέση.
Γνωρίζουμε την ταχύτητα του ήχου η οποία είναι 340m/s. Θα πρέπει να την εκφράσουμε σε μονάδες cm/s. Κάνουμε τα μαθηματικά και βρίσκουμε την ταχύτητα σε αυτή τη μονάδα ίση με 0,034cm/μs. Έτσι η ζητούμενη απόσταση έχει τιμή:
Απόσταση = 0,034cm/μS X 650μs
Δεν έχουμε τελειώσει! Θυμηθείτε ο παλμός echo ορίζει το χρόνο που παίρνουν τα υπερηχητικά κύματα να κινηθούν από τον αισθητήρα προς το αντικείμενο στο οποίο ανακλούνται και να γυρίσουν πίσω στο δέκτη. Έτσι θα πρέπει να διαιρέσουμε το αποτέλεσμα δια δυο. Δηλαδή:
Απόσταση = (0,034cm/s X 650μs) / 2 ή Απόσταση = 11cm
Έτσι τώρα γνωρίζουμε ότι το αντικείμενο βρίσκεται σε απόσταση 11 εκατοστά από τον αισθητήρα.
Περιορισμοί χρήσης των υπερήχων για μέτρηση αποστάσεων
Ο αισθητήρας HC-SR04 σε όρους ακρίβειας και χρησιμότητας προσφέρει πολλά πλεονεκτήματα συγκρινόμενος με άλλες μετρητικές συσκευές χαμηλού κόστους. Αυτό δεν σημαίνει ότι μπορεί να μετρήσει τα «πάντα». Στις ακόλουθες περιπτώσεις ο αισθητήρας δεν είναι ικανός να ανταποκριθεί:
1] Η απόσταση μεταξύ του αισθητήρα και του αντικειμένου είναι μεγαλύτερη από 400cm.
2] Η γωνία που σχηματίζεται από την διεύθυνση διάδοσης των υπερήχων και της καθέτου στην ανακλώμενη επιφάνεια είναι μεγαλύτερη από 45 μοίρες.
3] Το αντικείμενο στο οποίο θέλουμε να μετρήσουμε την απόσταση από τον αισθητήρα είναι πολύ μικρό και δεν μπορούν να ανακλαστούν τα υπερηχητικά κύματα.
4] Έχει βρεθεί πειραματικά ότι αντικείμενα από μαλακό υλικό όπως μαλακά υφασμάτινα αρκουδάκια δεν είναι ικανά να ανακλάσουν τα υπερηχητικά κύματα κι έτσι είναι δύσκολο να μετρήσουμε την απόσταση χρησιμοποιώντας υπερήχους.
