Ultraschall

Vorkenntnisse

• Grundverständnis über python classes

Ziel:

• Funktionsweise eines Ultraschall Sensors kennenlernen.
• Vorgefertigte Bibliothek nutzen.
• HC-SR04 Ultraschall Sensor auslesen.

Funktionsweise

Der Ultraschallsensor HC-SR04 verwendet Sonar zur Bestimmung der Entfernung zu einem Objekt. Der Sensor funktioniert in einem Bereich von 2cm - 4m, mit einer Genauigkeit von 0,3cm.

¹

• Der Ultraschallsender (Triggerstift) sendet einen hochfrequenten Ton (40 kHz) aus.
• Der Schall wandert durch die Luft. Wenn er auf ein Objekt trifft, wird er zum Modul zurückgeworfen.
• Der Ultraschallempfänger (Echo-Pin) empfängt den reflektierten Schall (Echo).

Unter Berücksichtigung der Geschwindigkeit des Schalls in der Luft und der Laufzeit (Zeit, die seit der Übertragung und dem Empfang des Signals verstrichen ist) können wir die Entfernung zu einem Objekt berechnen. Hier ist die Formel:

$$Abstand=((SchallgeschwindigkeitinderLuft)\ast gemesseneZeit)/2$$

Bei 20° ist die Schallgeschwindigkeit in der Luft 343 $m/s$

Verwendung

Ok wir wissen nun wie der Sensor in der Theorie funktioniert, schauen wir uns nun die Praxis an.

Aufbau:

Um das Modul zu verwenden müssen wir es zunächst an den ESP32 anschließen. Im folgenden sehen Sie eine mögliche Verdrahtung.

Programmcode

Ok, verkabelt ist. Nun müssen wir also ein Signal über den TRIGGER Pin senden und am ECHO Pin messen wie lange es dauert bis das Signal zurück kommt. Anschließend noch mit der Formel die Zeit in cm umrechnen und schon haben wir unseren Abstand.

Wir könnten uns nun die Mühe machen, das alles selbst zu programmieren, aber zum Glück hat schon jemand anderes sich für uns die Arbeit gemacht. Im folgenden finden Sie eine Bibliothek (python Datei) welche wir in unser Projekt einbinden können.

import machine, time
from machine import Pin

__version__ = '0.2.0'
__author__ = 'Roberto Sánchez'
__license__ = "Apache License 2.0. https://www.apache.org/licenses/LICENSE-2.0"

class HCSR04:
    """
    Driver to use the untrasonic sensor HC-SR04.
    The sensor range is between 2cm and 4m.
    The timeouts received listening to echo pin are converted to OSError('Out of range')
    """
    # echo_timeout_us is based in chip range limit (400cm)
    def __init__(self, trigger_pin, echo_pin, echo_timeout_us=500*2*30):
        """
        trigger_pin: Output pin to send pulses
        echo_pin: Readonly pin to measure the distance. The pin should be protected with 1k resistor
        echo_timeout_us: Timeout in microseconds to listen to echo pin. 
        By default is based in sensor limit range (4m)
        """
        self.echo_timeout_us = echo_timeout_us
        # Init trigger pin (out)
        self.trigger = Pin(trigger_pin, mode=Pin.OUT, pull=None)
        self.trigger.value(0)

        # Init echo pin (in)
        self.echo = Pin(echo_pin, mode=Pin.IN, pull=None)

    def _send_pulse_and_wait(self):
        """
        Send the pulse to trigger and listen on echo pin.
        We use the method `machine.time_pulse_us()` to get the microseconds until the echo is received.
        """
        self.trigger.value(0) # Stabilize the sensor
        time.sleep_us(5)
        self.trigger.value(1)
        # Send a 10us pulse.
        time.sleep_us(10)
        self.trigger.value(0)
        try:
            pulse_time = machine.time_pulse_us(self.echo, 1, self.echo_timeout_us)
            return pulse_time
        except OSError as ex:
            if ex.args[0] == 110: # 110 = ETIMEDOUT
                raise OSError('Out of range')
            raise ex

    def distance_mm(self):
        """
        Get the distance in milimeters without floating point operations.
        """
        pulse_time = self._send_pulse_and_wait()

        # To calculate the distance we get the pulse_time and divide it by 2 
        # (the pulse walk the distance twice) and by 29.1 becasue
        # the sound speed on air (343.2 m/s), that It's equivalent to
        # 0.34320 mm/us that is 1mm each 2.91us
        # pulse_time // 2 // 2.91 -> pulse_time // 5.82 -> pulse_time * 100 // 582 
        mm = pulse_time * 100 // 582
        return mm

    def distance_cm(self):
        """
        Get the distance in centimeters with floating point operations.
        It returns a float
        """
        pulse_time = self._send_pulse_and_wait()

        # To calculate the distance we get the pulse_time and divide it by 2 
        # (the pulse walk the distance twice) and by 29.1 becasue
        # the sound speed on air (343.2 m/s), that It's equivalent to
        # 0.034320 cm/us that is 1cm each 29.1us
        cms = (pulse_time / 2) / 29.1
        return cms

Bibliothek einbinden

Damit wir die Bibliothek nutzen können müssen wir sie zuerst in unser Projekt einbinden. Gehen Sie dazu wie folgt vor.

• Öffnen Sie Thonny und stecken Sie den ESP32 an.
• Erstellen Sie eine neue Datei und kopieren Sie den kompletten Inhalt der Bibliothek in diese Datei.
• Speichern Sie diese Datei unter dem Namen hcrs04.py auf dem Micropython Device.

Danach sollten Sie die neue Datei auf dem Gerät sehen können.

Bibliothek nutzen

Als nächsten Schritt müssen wir die Bibliothek in unsere main.py einbinden.

from hcsr04 import HCSR04

Anschließend können wir ein Objekt der Klasse HCSR04 erzeugen.

sensor = HCSR04(trigger_pin=26, echo_pin=25, echo_timeout_us=20000)

Das Objekt speichern wir in der Variablen sensor. Der Konstruktor benötigt 3 Argumente. Die Pin-Nummer, welche mit dem TRIGGER verbunden ist. Die Pin-Nummer, welche mit dem ECHO verbunden ist. Sowie eine Zeit nachdem die Messung abgebrochen wird.

Dann können wir in unserer Endlosschleife die Methode distance_cm() aufrufen, welche uns die gemessene Distanz in cm zurück liefert.

distance = sensor.distance_cm()

Ein Blick in die Bibliothek verrät uns das es auch eine Methode distance_mm() gibt, welche die Distanz in mm zurück gibt.

Hier sehen Sie nochmal die komplette main.py auf einen Blick.

from hcsr04 import HCSR04
from time import sleep

sensor = HCSR04(trigger_pin=26, echo_pin=25, echo_timeout_us=20000)

while True:
    distance = sensor.distance_cm()
    print('Distance:', distance, 'cm')
    sleep(1)

Übungen