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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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.

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 €.

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.

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.

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.

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.