Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция

Ультразвуковой дальномер представляет собой устройство для измерения расстояний. Рядовые потребители его чаще всего применяют в процессе строительства и ремонта. Собрать такое устройство можно своими руками, используя плату Arduino с подключенным к нему датчиком. Но перед тем, как приступать к сбору дальномера, следует ознакомиться с его преимуществами и недостатками.

Принцип действия

В каждый дальномер входит излучатель звука, приемник, а также контроллер, который обрабатывает и отображает информацию. Свое начало история создания ультразвукового дальномера берет еще в 1912 году, когда Р. Фессенденом был построен гидроакустический излучатель. Его принцип действия был аналогичным современным ультразвуковым датчикам. С тех пор схемы построения дальномеров значительно упростились, с появлением новых технологий.

Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция

Принцип действия ультразвукового дальномера основан на измерении времени между отправкой и получением звукового импульса. Известно, что скорость звука составляет 343 м/с при температуре 20 ºC, 50% влажности и атмосферном давлении на уровне моря.

Принцип действия ультразвукового дальномера

Соответственно, звуку потребуется 29,2 микросекунды, чтобы пройти один сантиметр. Поэтому можно получить расстояние исходя из времени между излучением и приемом импульса с помощью следующего уравнения:

Расстояние (см) = время (мкс)/29,2/2.

Причина деления времени на два заключается в том, что устройство измерило время, необходимое для прохождения и возврата импульса. Поэтому пройденное звуком расстояние в два раза больше того значения, которое требуется измерить.

Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция

Сфера применения

Ультразвуковые дальномеры часто используются при создании роботов, в проектах автоматизации технологических объектов, в промышленности. Но наиболее широкое применение они нашли в сфере строительства и ремонта, а также в производстве мебели. Современная ультразвуковая рулетка демонстрирует хорошую точность измерения и удобна в эксплуатации. Ее нередко используют в быту для подсчета расстояний до тех или иных объектов. Ряд моделей имеют корпус, защищенный от попадания пыли и влаги. Поэтому подобные приборы подходят для сложных условий эксплуатации.

Ультразвуковой дальномер с лазерной указкой Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция

Особенностями ультразвуковых датчиков являются возможность работы с отражающими и металлическими поверхностями, а также нормальное функционирование во влажной среде. Но они чувствительны к ветру и колебаниям температуры. Чем выше температура, тем быстрее распространяются звуковые волны. А воздушные потоки, например, от вентилятора, могут изменить путь звуковой волны. А это приведет к искажению результатов.

Использование ультразвукового дальномера в темное время суток

Поэтому в тех случаях, когда условия окружающей среды вносят серьезную погрешность в результаты измерений, лучше использовать лазерный дальномер. Он более дорогой, но имеет более высокие технические характеристики.

Сильный ветер искажает значение измерений ультразвукового дальномера

Стоит также принимать во внимание, что некоторые материалы имеют свойство поглощать звуковые волны. Это вносит определенную погрешность в результат измерений. Необходимо помнить и о том, что на пути к цели могут внезапно появиться различные препятствия, например, проезжающий мимо автомобиль. Соответственно, импульс вернется раньше, и прибор покажет неверное значение. Поэтому на улице следует весьма внимательно производить замеры.

Звукопоглощающее покрытие - плохой отражатель для измерения

Современные приборы на основе ультразвукового излучения имеют различные дополнительные функции, помимо измерения расстояния. Например, они могут вычислить площадь помещения, а также указать координаты углов. Для повышения точности и удобства работы с дальномером их нередко оснащают лазерной указкой.

Измерение площади ультразвуковым дальномером

Ультразвуковой дальномер своими руками

Можно создать ультразвуковой дальномер своими руками на базе контроллера Arduino. Для этого потребуется датчик, который будет измерять расстояние с помощью ультразвука. На рынке представлено несколько моделей, наиболее популярными и доступными из которых являются HC-SR04 и его улучшенная версия HC-SRF05.

HC-SR04 и HC-SRF05 Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция

Датчик HC-SR04 — это датчик расстояния, который использует ультразвук для определения расстояния до объекта в диапазоне от 2 до 450 см. Он отличается небольшими размерами, низким энергопотреблением, хорошей точностью и отличной ценой. Модель HC-SR04 является наиболее часто используемым устройством среди ультразвуковых датчиков, главным образом из-за большого количества информации и проектов, доступных в Интернете.

Проекты с ультразвуковым дальномером

Также можно использовать датчик US-016, который аналогичен HC-SR04, но имеет аналоговый выход. Если же необходим выход UART, то подойдет модель US-100. Ультразвуковой датчик HC-SR04 довольно дешевый. На AliExpress его можно приобрести за 0,65 €.

US-016 US-100

Для отображения измеряемых значений рекомендуется использовать жидкокристаллический дисплей. Но допускается и подключение небольшого светодиодного индикатора с отображением 3-х символов, что будет достаточным для демонстрации значения расстояния в сантиметрах.

3-х-значный дисплей LCD дисплей с I2C

Номинальный диапазон измерений датчика HC-SR04 составляет от 2 до 400 см. Однако, на практике фактический диапазон измерений является более ограниченным: от 20 см до 2 метров. Характеристики датчика HC-SR04:

  • Рабочее расстояние: 2 см — 400 см;
  • Частота звука: 40 кГц;
  • Эффективный угол: 15º;
  • Напряжение питания: 5 В;
  • Потребляемый ток: 15 мА.

Датчик HC-SR04 имеет два преобразователя: пьезоэлектрический передатчик и приемник. Принцип работы заключается в следующем: передатчик испускает 8 ультразвуковых импульсов на частоте 40 кГц. Звуковые волны распространяются в воздухе и при обнаружении объекта отражаются от него и улавливаются приемником.

Ультразвуковая рулетка: принцип действия, схема, инструкция

Время задержки волны с момента ее излучения до момента ее обнаружения измеряется микроконтроллером и, таким образом, можно рассчитать расстояние к объекту. На функционирование датчика не влияют солнечный свет или цвет материала. Но при обнаружении акустически мягких материалов, таких как ткань или шерсть, могут возникнуть трудности.

Схема подключения HC-SR04

Для измерения расстояний с помощью датчика HC-SR04 следует подключить его к контроллеру Arduino. Ультразвуковой дальномер, схема подключения которого приведена выше, собрать довольно просто. После этого нужно написать программу, скомпилировать ее и загрузить в контроллер Arduino.

Для написания программы рекомендуется использовать библиотеку NewPing, доступную в менеджере библиотек IDE Arduino. Она предоставляет ряд дополнительных функций, в том числе подключение медианного фильтра для устранения шума или использование одного вывода в качестве триггера и эха. Ниже приводится один из вариантов программы с использованием данной библиотеки.

#include <NewPing.h>
const int UltrasonicPin = 5;
const int MaxDistance = 200;
NewPing sonar(UltrasonicPin, UltrasonicPin, MaxDistance);
void setup() {
Serial.begin(9600);
}
void loop() {
delay(50);
Serial.print(sonar.ping_cm());
Serial.println("cm");
}

Датчик имеет следующие разъемы:

  • Vcc — для подключения цепи +5В.
  • Trig — цифровой вход. На него подается сигнал для начала измерительного цикла. Обычно сигнал логической единицы устанавливают на 10 мкс.
  • Echo — цифровой выход. Когда измерение закончится, на данном выходе появится сигнал логической единицы на время, соответствующее измеренному расстоянию.
  • GND — для подключения цепи -5В.

Важным нюансом, который следует учитывать, чтобы избежать ошибочных результатов, является время между циклами измерения. Рекомендуется делать задержку не менее 60 мс перед каждым измерением.

Сохраните эту страницу в своей соц. сети и вернитесь к ней в любое время.
Другие статьи из данной рубрики
Что такое строительная малка

Создать идеально ровные откосы, разметить углы невозможно без малки-угломера. Она пригодится не только в ремонте, но и в столярном, и в слесарном деле, ее используют даже при установке окон и подоконников. Для чего нужна малка и как ее использовать — в нашей статье. Назначение угломера и основные задачи Малка-угломер используется для определения и переноса углов […]

Китайские лазерные дальномеры: на что обратить внимание при выборе

Инструменты являются альтернативой традиционным измерительным рулеткам. Китайские лазерные дальномеры помогают определить размеры объектов и отличаются от стандартных рулеток удобством использования. Характерны бесконтактным измерением интервала до предмета. У них доступные цены и расширенный функционал. Рассмотрим их технические свойства, функциональные особенности и критерии выбора. Как работают лазерные дальномеры Лазерные устройства похожи на мобильники старых образцов. Они помогают […]

Электронная измерительная рулетка: особенности и выбор

Основное назначение рулетки – измерение расстояний, но у лазерной рулетки есть еще несколько функций: рулетки имеют встроенную память, с их помощью можно вычислить площадь, угол и объем помещения, а в некоторых моделях есть функция сложения величин. Сейчас мы с вами разберемся, что же это за прибор, какова его стоимость и как правильно выбрать модель. Что […]

Комментарии
олег ленский

Отличная статья.Отличная статья.

Adblock
detector