سنسور اولتراسونیک آردوینو یکی از ساده‌ترین و پرکاربردترین روش‌ها
برای اندازه‌گیری فاصله در پروژه‌های الکترونیکی است. یکی از محبوب‌ترین ماژول‌ها
برای این کار HC-SR04 است که با ارسال امواج فراصوت و اندازه‌گیری
زمان برگشت انعکاس، فاصله جسم مقابل خود را محاسبه می‌کند.

اگر قصد ساخت ربات مسیریاب، سیستم تشخیص مانع، فاصله‌سنج، پارکینگ هوشمند،
درب اتوماتیک یا یک پروژه آموزشی با Arduino را دارید، HC-SR04 می‌تواند
گزینه مناسبی باشد. در این مقاله عملکرد سنسور، پایه‌ها، فرمول محاسبه فاصله،
نحوه اتصال به Arduino، کدنویسی، کتابخانه NewPing، خطاهای رایج و محدودیت‌های
این سنسور را بررسی می‌کنیم.

سنسور اولتراسونیک آردوینو چیست؟

سنسور اولتراسونیک برای اندازه‌گیری فاصله از امواج صوتی با فرکانسی بالاتر
از محدوده شنوایی انسان استفاده می‌کند. در HC-SR04 یک مبدل اولتراسونیک
وظیفه ارسال موج و مبدل دیگر وظیفه دریافت بازتاب آن را بر عهده دارد.

وقتی موج صوتی به یک جسم برخورد می‌کند، بخشی از آن به سمت سنسور بازمی‌گردد.
Arduino مدت زمانی را که از ارسال موج تا دریافت Echo طول کشیده اندازه‌گیری
می‌کند و با استفاده از سرعت صوت، فاصله جسم را به دست می‌آورد.
مدل متداول HC-SR04 دارای فرکانس کاری 40kHz و محدوده اسمی حدود 2 تا 400 سانتی‌متر
است. مرجع منتشرشده همچنین دقت اسمی حدود 3 میلی‌متر و زاویه اندازه‌گیری حدود
15 درجه را برای این مدل ذکر می‌کند.

HC-SR04 چگونه کار می کند؟

برای شروع اندازه‌گیری، پایه Trig باید حداقل به مدت 10 میکروثانیه
در وضعیت HIGH قرار بگیرد. سپس سنسور یک بسته 8 پالسی با فرکانس 40kHz ارسال می‌کند.
پس از ارسال، پایه Echo در حالت HIGH قرار می‌گیرد و مدت زمانی را
که طول می‌کشد موج به جسم برخورد کرده و برگردد، نشان می‌دهد.

پایه های HC-SR04 چیست؟

HC-SR04 معمولاً چهار پایه اصلی دارد: VCC، Trig، Echo و GND.
هر کدام از این پایه‌ها وظیفه مشخصی دارند.

فرمول محاسبه فاصله در HC-SR04

Arduino در واقع فاصله را مستقیماً از سنسور دریافت نمی‌کند؛ بلکه مدت زمانی را
که پایه Echo در وضعیت HIGH است اندازه‌گیری می‌کند.

رابطه اصلی به شکل زیر است:

سرعت صوت در شرایط معمول تقریباً 340 متر بر ثانیه در نظر گرفته می‌شود.
اگر زمان را بر حسب میکروثانیه و سرعت صوت را حدود 0.034 سانتی‌متر بر
میکروثانیه در نظر بگیریم، می‌توان از فرمول زیر استفاده کرد:

مثال محاسبه فاصله

اگر مدت زمان Echo برابر 500 میکروثانیه باشد:

این محاسبه همان منطق مورد استفاده در آموزش مرجع برای تبدیل مدت پالس Echo
به فاصله است.

اتصال سنسور اولتراسونیک آردوینو به Arduino Uno

برای یک اتصال ساده می‌توان VCC را به 5V، GND را به زمین Arduino،
Trig را به پایه دیجیتال 9 و Echo را به پایه دیجیتال 10 وصل کرد.
این همان سیم‌کشی پایه‌ای است که در آموزش مرجع نیز استفاده شده است.

کد سنسور اولتراسونیک آردوینو بدون کتابخانه

اگر می‌خواهید دقیقاً بفهمید HC-SR04 چگونه کار می‌کند، بهتر است در ابتدا
بدون کتابخانه آن را راه‌اندازی کنید. در این روش خودمان پالس Trigger را
تولید می‌کنیم، مدت زمان Echo را می‌خوانیم و فاصله را محاسبه می‌کنیم.

const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;

void setup() {

  Serial.begin(9600);

  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);

}

void loop() {

  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);

  digitalWrite(trigPin, LOW);

  unsigned long duration =
    pulseIn(echoPin, HIGH, 30000);

  if (duration == 0) {

    Serial.println("Out of range");

  } else {

    float distance =
      duration * 0.0343 / 2.0;

    Serial.print("Distance: ");
    Serial.print(distance);
    Serial.println(" cm");

  }

  delay(300);
}

توضیح کد HC-SR04

ابتدا پایه Trig به‌عنوان خروجی و Echo به‌عنوان ورودی تنظیم می‌شود.
سپس Trig برای چند میکروثانیه LOW شده و بعد یک پالس HIGH حدود 10 میکروثانیه‌ای
ارسال می‌شود.

تابع pulseIn() مدت زمانی را که Echo در وضعیت HIGH قرار دارد
اندازه‌گیری می‌کند. این مقدار سپس در سرعت صوت ضرب و بر 2 تقسیم می‌شود تا
فاصله رفت و برگشت موج به فاصله یک‌طرفه تبدیل شود.

راه اندازی HC-SR04 با کتابخانه NewPing

اگر هدف شما ساخت پروژه است و نمی‌خواهید منطق اندازه‌گیری زمان Echo را
در هر برنامه از ابتدا بنویسید، استفاده از کتابخانه‌هایی مانند
NewPing می‌تواند کار را ساده‌تر کند. آموزش مرجع نیز از
NewPing برای ساده‌سازی خواندن فاصله استفاده می‌کند.

نصب NewPing در Arduino IDE

1. Arduino IDE را باز کنید.
2. وارد Library Manager شوید.
3. عبارت NewPing را جست‌وجو کنید.
4. کتابخانه مناسب را نصب کنید.

برای چنین پروژه‌هایی کتابخانه‌های اختصاصی HC-SR04 نیز وجود دارند؛
مستندات رسمی Arduino هم یک کتابخانه HC-SR04 را در فهرست کتابخانه‌های خود
معرفی می‌کند که برای معماری‌های مختلف Arduino ارائه شده است.

مثال پروژه؛ ساخت فاصله سنج با Arduino و HC-SR04

یکی از بهترین پروژه‌های آموزشی با این سنسور، ساخت یک فاصله‌سنج ساده است.
Arduino فاصله را اندازه‌گیری کرده و مقدار آن را در Serial Monitor نمایش می‌دهد.

#include <NewPing.h>

#define TRIGGER_PIN 9
#define ECHO_PIN 10
#define MAX_DISTANCE 400

NewPing sonar(
  TRIGGER_PIN,
  ECHO_PIN,
  MAX_DISTANCE
);

void setup() {

  Serial.begin(9600);

}

void loop() {

  unsigned int distance = sonar.ping_cm();

  if (distance == 0) {
    Serial.println("Out of range");
  } else {
    Serial.print("Distance = ");
    Serial.print(distance);
    Serial.println(" cm");
  }

  delay(300);
}

چرا HC-SR04 گاهی فاصله را اشتباه نشان می دهد؟

اگر خروجی سنسور ناپایدار است یا فاصله‌ای غیرمنطقی نمایش داده می‌شود،
لزوماً ایراد از کدنویسی نیست. ساختار هدف، زاویه قرارگیری سنسور، محیط،
نویز و جنس سطح می‌توانند روی نتیجه اثر بگذارند.

1. سطح جسم مناسب نیست

اجسام بسیار نرم، زاویه‌دار یا سطوحی که امواج را در جهات مختلف بازتاب می‌کنند
می‌توانند اندازه‌گیری را دشوارتر کنند.

2. جسم بیش از حد نزدیک است

مدل رایج HC-SR04 برای محدوده‌ای حدود 2 سانتی‌متر به بالا طراحی شده است؛
بنابراین نباید از آن انتظار اندازه‌گیری دقیق در فاصله‌های بسیار نزدیک داشت.

3. جسم خارج از محدوده است

محدوده اسمی تا حدود 4 متر است، اما در فاصله‌های بالا یا شرایط نامناسب محیطی
ممکن است Echo دریافت نشود یا دقت کاهش پیدا کند. منبع مرجع نیز اشاره می‌کند
که اندازه‌گیری در فاصله‌های بیش از حدود 4 متر قابل اتکا نیست.

4. سنسور مقابل سطح صاف قرار نگرفته است

اگر سطح جسم زاویه زیادی نسبت به سنسور داشته باشد، انرژی صوتی ممکن است
مستقیماً به گیرنده برنگردد.

آیا HC-SR04 در هر محیطی دقیق است؟

خیر. دقت اعلام‌شده برای این سنسور به شرایط آزمایش و مشخصات همان مدل مربوط است.
دما، ویژگی‌های سطح، زاویه جسم و شرایط نصب می‌توانند بر مسیر انتشار و بازتاب
موج صوتی تأثیر بگذارند.

برای پروژه‌هایی که نیازمند اندازه‌گیری بسیار دقیق یا محیط‌های صنعتی پیچیده هستند،
بهتر است قبل از انتخاب نهایی، نوع سنسور فاصله و شرایط واقعی کار بررسی شود.

حالت 3 سیمه HC-SR04 چیست؟

در اتصال معمول HC-SR04 به دو پایه دیجیتال برای Trig و Echo نیاز داریم.
اما در بعضی کاربردها می‌توان هر دو سیگنال را با یک GPIO مدیریت کرد؛
هنگام ارسال Trigger، پایه به‌صورت خروجی و سپس برای دریافت Echo به‌صورت ورودی
تنظیم می‌شود.

این روش برای زمانی مفید است که در پروژه چندین ماژول دارید و با کمبود GPIO
مواجه شده‌اید. آموزش مرجع نیز نمونه‌ای از اتصال سه‌سیمه را با اتصال Trig
و Echo به یک پایه ارائه می‌کند.

کاربردهای سنسور اولتراسونیک آردوینو

HC-SR04 به دلیل سادگی در پروژه‌های آموزشی، رباتیک و سیستم‌های تشخیص مانع
کاربرد زیادی دارد.

• تشخیص مانع در ربات
• فاصله‌سنج دیجیتال
• سیستم پارک و کمک پارک
• درب اتوماتیک
• تشخیص نزدیک شدن اشیا
• اندازه‌گیری ارتفاع یا سطح در پروژه‌های ساده
• پروژه‌های آموزشی Arduino
• کنترل آلارم بر اساس فاصله

مزایا و معایب HC-SR04

برای پروژه HC-SR04 چه قطعاتی لازم است؟

برای یک پروژه ساده فاصله‌سنج می‌توانید از Arduino، ماژول HC-SR04، بردبورد،
سیم جامپر و منبع تغذیه مناسب استفاده کنید. اگر پروژه رباتیک باشد، احتمالاً
به موتور، درایور موتور، چرخ، باتری و سایر قطعات الکترونیکی نیز نیاز خواهید داشت.

مقالات بیشتر درباره Arduino و سنسورها

برای انتخاب سنسور یا طراحی پروژه مشاوره فنی می خواهید؟

جمع بندی سنسور اولتراسونیک آردوینو

سنسور اولتراسونیک آردوینو با استفاده از ارسال و دریافت امواج
فراصوت، امکان اندازه‌گیری فاصله بدون تماس را فراهم می‌کند. HC-SR04 یکی از
معروف‌ترین نمونه‌های این خانواده است که از پایه‌های VCC، Trig، Echo و GND
استفاده می‌کند و با اندازه‌گیری مدت زمان Echo، فاصله جسم محاسبه می‌شود.

برای یادگیری بهتر، ابتدا می‌توانید HC-SR04 را بدون کتابخانه راه‌اندازی کنید
و با pulseIn() زمان Echo را اندازه بگیرید. در پروژه‌های بزرگ‌تر
استفاده از کتابخانه می‌تواند توسعه برنامه را ساده‌تر کند. همچنین در هنگام
استفاده واقعی باید محدودیت فاصله، زاویه جسم، شرایط سطح، تغذیه و سیم‌کشی را
در نظر بگیرید.

سوالات متداول درباره سنسور اولتراسونیک آردوینو

سنسور اولتراسونیک آردوینو چگونه فاصله را اندازه می گیرد؟

HC-SR04 یک موج اولتراسونیک ارسال می‌کند، بازتاب آن را دریافت می‌کند و
مدت زمان رفت‌وبرگشت موج را اندازه می‌گیرد. Arduino با استفاده از این زمان
فاصله جسم را محاسبه می‌کند.

پایه های HC-SR04 کدامند؟

چهار پایه اصلی این ماژول شامل VCC، Trig، Echo و GND است.

چرا HC-SR04 فاصله را اشتباه نشان می دهد؟

زاویه و جنس سطح، فاصله بسیار کم یا زیاد، سیم‌کشی، تغذیه، شرایط محیطی
و کیفیت بازگشت Echo می‌توانند روی نتیجه اثر بگذارند.