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6.1 Entfernungsmessung mit einem Ultraschallsensor

In dieser Lektion lernen wir, wie man ein Ultraschallsensormodul mit dem Raspberry Pi Pico 2 verwendet, um die Entfernung zu einem Objekt zu messen. Ultraschallsensoren werden häufig in Robotik- und Automatisierungssystemen zur Objekterkennung und Distanzmessung eingesetzt.

Benötigte Komponenten

Für dieses Projekt werden folgende Komponenten benötigt.

Ein komplettes Kit ist besonders praktisch. Hier ist der Link:

Name	ENTHALTENE TEILE	LINK
Newton Lab Kit	450+	Newton Lab Kit

Alternativ können die Komponenten auch einzeln über die folgenden Links erworben werden.

SN	KOMPONENTE	MENGE	LINK
1	Raspberry Pi Pico 2	1	KAUFEN
2	Micro-USB-Kabel	1
3	Steckbrett	1	KAUFEN
4	Jumperkabel	Mehrere	KAUFEN
5	Ultraschallmodul	1	KAUFEN

Funktionsweise des Ultraschallsensors

Der Ultraschallsensor sendet einen kurzen Ultraschallimpuls über den Trig-Pin aus und wartet auf das Echo am Echo-Pin. Durch die Messung der Zeit, die das Echo für die Rückkehr benötigt, kann die Entfernung zu einem Objekt anhand der Schallgeschwindigkeit berechnet werden.

ultrasonic_prin

Triggerimpuls: Ein 10-Mikrosekunden-High-Puls am Trig-Pin startet die Messung.
Ultraschallimpuls: Der Sensor sendet eine 8-Zyklen-Ultraschallwelle mit 40 kHz aus.
Echoempfang: Der Echo-Pin geht auf HIGH und bleibt so lange aktiv, bis das Echo zurückkehrt.
Zeitmessung: Durch die Dauer des HIGH-Signals am Echo-Pin kann die Entfernung berechnet werden.

Schaltplan

sch_ultrasonic

Verdrahtungsdiagramm

wiring_ultrasonic

Code schreiben

Nun schreiben wir ein MicroPython-Programm zur Entfernungsmessung mit dem Ultraschallsensor.

Bemerkung

Öffne 6.1_measuring_distance.py aus newton-lab-kit/micropython oder kopiere den Code in Thonny, dann klicke auf „Run“ oder drücke F5.
Stelle sicher, dass der richtige Interpreter ausgewählt ist: MicroPython (Raspberry Pi Pico).COMxx.

import machine
import utime

# Definiere die Pins für den Sensor
TRIG = machine.Pin(17, machine.Pin.OUT)
ECHO = machine.Pin(16, machine.Pin.IN)

def measure_distance():
    # Stelle sicher, dass der Trigger-Pin LOW ist
    TRIG.low()
    utime.sleep_us(2)
    # Sende einen 10µs-Puls zur Messung
    TRIG.high()
    utime.sleep_us(10)
    TRIG.low()

    # Warte auf den Start des Echos
    while ECHO.value() == 0:
        pass
    start_time = utime.ticks_us()

    # Warte auf das Ende des Echos
    while ECHO.value() == 1:
        pass
    end_time = utime.ticks_us()

    # Berechne die Dauer des Echo-Impulses
    duration = utime.ticks_diff(end_time, start_time)

    # Berechne die Entfernung (Schallgeschwindigkeit: 34300 cm/s)
    distance = (duration * 0.0343) / 2
    return distance

while True:
    dist = measure_distance()
    print("Distance: {:.2f} cm".format(dist))
    utime.sleep(0.5)

Sobald der Code ausgeführt wird, zeigt die Thonny-Shell die gemessenen Entfernungswerte in Zentimetern an. Bewege ein Objekt näher an den Sensor heran oder weiter weg, um die veränderten Messwerte zu beobachten.

Den Code verstehen

Notwendige Module importieren und die Trigger- und Echo-Pins einrichten:

import machine
import utime

TRIG = machine.Pin(17, machine.Pin.OUT)
ECHO = machine.Pin(16, machine.Pin.IN)

Entfernung messen:

Sendet einen Triggerimpuls, um die Messung zu starten.
Wartet auf das empfangene Echo.
Berechnet die Dauer des Echo-Impulses.
Ermittelt die Entfernung basierend auf der Schallgeschwindigkeit.

def measure_distance():
    # Sicherstellen, dass der Trigger-Pin LOW ist
    TRIG.low()
    utime.sleep_us(2)
    # 10µs-Impuls zur Messung senden
    TRIG.high()
    utime.sleep_us(10)
    TRIG.low()

    # Auf den Beginn des Echo-Signals warten
    while ECHO.value() == 0:
        pass
    start_time = utime.ticks_us()

    # Warten, bis das Echo endet
    while ECHO.value() == 1:
        pass
    end_time = utime.ticks_us()

    # Dauer des Echo-Impulses berechnen
    duration = utime.ticks_diff(end_time, start_time)
    # Entfernung berechnen
    distance = (duration * 0.0343) / 2
    return distance

Hauptschleife:

Misst kontinuierlich die Entfernung und gibt sie aus.
Legt eine halbe Sekunde Pause zwischen den Messungen ein.

while True:
    dist = measure_distance()
    print("Distance: {:.2f} cm".format(dist))
    utime.sleep(0.5)

Einschränkungen verstehen

Blockierender Code:
- Die while-Schleifen zum Warten auf das Echo können verhindern, dass andere Codeabschnitte parallel ausgeführt werden.
- Für fortgeschrittene Anwendungen sollten Interrupts oder asynchrone Programmierung in Betracht gezogen werden, um Blockierungen zu vermeiden.
Messbereich:
- Der HC-SR04-Sensor hat typischerweise einen Messbereich von 2 cm bis 400 cm.
- Objekte, die näher als 2 cm oder weiter als 400 cm entfernt sind, werden möglicherweise nicht genau erkannt.
Umwelteinflüsse:
- Temperatur und Luftfeuchtigkeit können die Schallgeschwindigkeit beeinflussen.
- Für genauere Messungen kann die Schallgeschwindigkeit an die Umgebungsbedingungen angepasst werden.

Fazit

Du hast erfolgreich einen Ultraschallsensor genutzt, um mit dem Raspberry Pi Pico 2 Entfernungen zu messen. Diese grundlegende Fähigkeit findet breite Anwendung in der Robotik, Automatisierung und interaktiven Projekten.