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6.1 Distanzmessung mit einem Ultraschallsensor

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

Benötigte Komponenten

Für dieses Projekt benötigen wir die folgenden Komponenten.

Es ist definitiv praktisch, ein ganzes Kit zu kaufen, hier ist der Link:

Name

ARTIKEL IN DIESEM KIT

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Pico 2 W Starter Kit

450+

Pico 2 W Kit

Sie können sie auch einzeln über die untenstehenden Links kaufen.

SN

KOMPONENTENEINFÜHRUNG

MENGE

KAUF-LINK

1

Einführung in den Pico 2 W

1

2

Micro USB Kabel

1

3

Breadboard

1

KAUFEN

4

Jumper-Kabel

Mehrere

KAUFEN

5

Ultraschallmodul

1

KAUFEN

Verständnis des Ultraschallsensors

Der Ultraschallsensor funktioniert, indem er einen kurzen Ultraschallimpuls vom Trig-Pin aussendet und das Echo am Echo-Pin empfängt. Indem die Zeit gemessen wird, die das Echo für die Rückkehr benötigt, können wir die Distanz zu einem Objekt unter Verwendung der Schallgeschwindigkeit berechnen.

ultrasonic_prin

  • Triggerimpuls: Ein 10-Mikrosekunden langer hoher Impuls am Trig-Pin initiiert die Messung.

  • Ultraschallburst: Der Sensor sendet einen 8-Zyklus-Ultraschallburst mit 40 kHz aus.

  • Echorezeption: Der Echo-Pin wird hochgeschaltet und bleibt hoch, bis das Echo zurück empfangen wird.

  • Zeitmessung: Indem die Zeit gemessen wird, in der der Echo-Pin hoch bleibt, können wir die Distanz berechnen.

Schaltplan

sch_ultrasonic

Verdrahtung

wiring_ultrasonic

Schreiben des Codes

Wir werden ein Programm schreiben, das den Ultraschallsensor auslöst, die Echozeit misst und die Distanz zu einem Objekt berechnet. Die Distanz wird auf dem seriellen Monitor angezeigt.

Bemerkung

  • Sie können die Datei 6.1_ultrasonic.ino unter dem Pfad pico-2w-kit-main/arduino/6.1_ultrasonic öffnen.

  • Oder kopieren Sie diesen Code in die Arduino IDE.

  • Vergessen Sie nicht, das Board (Raspberry Pi Pico) und den richtigen Port vor dem Klicken auf den Upload-Button auszuwählen.

// Definieren der Anschlusspins
const int trigPin = 17;  // GPIO 17 -> Trig
const int echoPin = 16;  // GPIO 16 -> Echo

void setup() {
  // Serielle Kommunikation mit 115200 Baud starten
  Serial.begin(115200);

  // Sensorpins initialisieren
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {
  long duration;
  float distance;

  // Den Sensor durch Setzen von Trig auf HIGH für 10 Mikrosekunden auslösen
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  // Den Echo-Pin lesen, gibt die Dauer in Mikrosekunden zurück
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

  // Die Distanz in Zentimetern berechnen
  distance = duration * 0.034 / 2;

  // Die Distanz auf dem seriellen Monitor ausgeben
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");

  delay(500); // Eine halbe Sekunde warten, bevor die nächste Messung erfolgt
}

Nach dem Hochladen des Codes sollte der serielle Monitor die Distanzmessungen in Zentimetern anzeigen.

Distance: 25.3 cm
Distance: 24.8 cm
Distance: 24.5 cm

Platzieren Sie ein Objekt in verschiedenen Entfernungen vom Sensor. Bewegen Sie das Objekt näher und weiter weg, um Änderungen in den Distanzmessungen zu beobachten.

Verständnis des Codes

  1. Definieren der Anschlusspins:

    • trigPin: Sendet den Ultraschallimpuls.

    • echoPin: Empfängt das Echo des Ultraschallimpulses.

    const int trigPin = 17;  // GPIO 17 -> Trig
const int echoPin = 16;  // GPIO 16 -> Echo

  2. Setup-Funktion:

    • Serielle Kommunikation: Ermöglicht die Kommunikation zwischen dem Pico und dem Computer zur Fehlerbehebung.

    • Pinmodi: Setzt den Trig-Pin als OUTPUT und den Echo-Pin als INPUT.

    void setup() {
  // Serielle Kommunikation mit 115200 Baud starten
  Serial.begin(115200);

  // Sensorpins initialisieren
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

  3. Loop-Funktion:

    • Sensor auslösen: Setzt den Trig-Pin HIGH für 10 Mikrosekunden, um den Ultraschallimpuls zu senden. Setzt den Trig-Pin LOW, um den Impuls zu beenden.

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

    • Echo lesen: Misst die Dauer (in Mikrosekunden), die der Echo-Pin HIGH bleibt, was die Zeit für die Rückkehr des Echos anzeigt.

      duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

    • Distanz berechnen: Wandelt die Zeit in Distanz (cm/Mikrosekunde) um. Dividiert durch 2, um den Hin- und Rückweg des Impulses zu berücksichtigen.

      distance = duration * 0.034 / 2;

    • Serielle Ausgabe: Gibt die berechnete Distanz auf dem seriellen Monitor zur Echtzeitüberwachung aus.

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

    • Verzögerung: Fügt eine 500-Millisekunden-Verzögerung hinzu, um den seriellen Monitor nicht zu überfluten und Zeit zwischen den Messungen zu lassen.

Fehlerbehebung

  • Keine Anzeigen:

    • Stellen Sie sicher, dass die Trig- und Echo-Pins korrekt verbunden sind.

    • Überprüfen Sie, ob der Sensor Strom erhält (VCC- und GND-Verbindungen).

    • Überprüfen Sie, ob der serielle Monitor auf die richtige Baudrate eingestellt ist.

  • Falsche Messungen:

    • Stellen Sie sicher, dass die Berechnungen im Code korrekt sind.

    • Überprüfen Sie, ob die Schallgeschwindigkeitskonstante (0.034) für Ihre Umgebung geeignet ist (Feuchtigkeit und Temperatur können die Schallgeschwindigkeit beeinflussen).

  • Sensorinterferenzen:

    • Stellen Sie sicher, dass keine Hindernisse oder reflektierenden Flächen vorhanden sind, die die Ultraschallimpulse stören könnten.

    • Vermeiden Sie es, den Sensor in der Nähe anderer Ultraschallgeräte zu platzieren, die falsche Ablesungen verursachen könnten.

Weiterführende Untersuchungen

  • Integration mit LEDs oder Displays:

    • Verwenden Sie mehrere LEDs, um einen visuellen Distanzindikator zu erstellen.

    • Integrieren Sie ein 7-Segment- oder LCD-Display, um die Distanz numerisch anzuzeigen.

  • Erstellen eines Näherungsalarm-Systems:

    Setzen Sie Schwellenwerte, um Alarme auszulösen (z. B. Klangalarme, wenn Objekte zu nahe kommen).

  • Bau eines einfachen hindernisvermeidenden Roboters:

    Nutzen Sie den Ultraschallsensor, um Hindernisse zu erkennen und sie zu umfahren.

Fazit

In dieser Lektion haben Sie gelernt, wie man ein Ultraschallsensormodul mit dem Raspberry Pi Pico zur Messung der Distanz zu einem Objekt verwendet. Durch das Auslösen von Ultraschallimpulsen und das Messen der Echozeit können Sie die Distanz zu nahen Objekten genau bestimmen. Dieses Projekt dient als Grundlage für komplexere Anwendungen in der Robotik, Automatisierung und interaktiven Systemen.