Вежба: Мерење растојања помоћу ултразвучног сензора

У овој вежби ученици ће научити како да користе HC-SR04 ултразвучни сензор за мерење растојања до објекта помоћу Arduino плоче. Поред самог мерења, добијена вредност биће послата на рачунар преко серијске комуникације и приказана у реалном времену помоћу алата Processing.

Ова вежба представља одличан увод у рад са сензорима јер повезује:

• мерење физичких величина,
• Arduino програмирање,
• серијску комуникацију,
• визуелизацију података,
• рад са Processing окружењем.

Arduino + HC-SR04

Повезивање ултразвучног сензора са Arduino плочом и мерење растојања до објекта.

Processing визуелизација

Приказ измереног растојања помоћу хоризонталне траке у реалном времену.

Шта је HC-SR04?

HC-SR04 је ултразвучни сензор који служи за бесконтактно мерење растојања. Ради тако што емитује кратак ултразвучни импулс, а затим мери време потребно да се одбијени талас врати до сензора.

Пошто је брзина звука позната, Arduino може једноставно да израчуна удаљеност објекта. Овај сензор се често користи у роботима који избегавају препреке, паметним системима паркирања и различитим STEM пројектима.

HC-SR04

Ултразвучни сензор за мерење растојања.

Принцип рада

Сензор шаље ултразвучни талас и мери време његовог повратка.

🧰 Потребна опрема

За реализацију ове вежбе потребно је:

• Arduino Uno плоча,
• HC-SR04 ултразвучни сензор,
• breadboard плоча,
• повезне жице,
• USB кабл,
• рачунар са Arduino IDE и Processing окружењем.

Потребна опрема

Arduino плоча, HC-SR04 сензор и breadboard.

Breadboard

Омогућава повезивање компоненти без лемљења.

Повезивање компоненти

HC-SR04 поседује четири пина:

• VCC – напајање 5V,
• GND – маса,
• TRIG – покреће ултразвучни импулс,
• ECHO – враћа време одбијеног сигнала.

У овој вежби користимо следеће повезивање:

• TRIG → пин 3
• ECHO → пин 2

Шема повезивања

Повезивање HC-SR04 сензора са Arduino плочом.

Практична реализација

Повезивање на breadboard плочи.

Arduino програм

Arduino шаље ултразвучни импулс, мери време његовог повратка и на основу тога израчунава растојање у центиметрима.

// Мерење растојања помоћу HC-SR04 ултразвучног сензора

// TRIG пин повезан на дигитални пин 3
int trigPin = 3;

// ECHO пин повезан на дигитални пин 2
int echoPin = 2;

// Трајање ECHO импулса у микросекундама
long duration;

// Израчунава се растојање у центиметрима
float distance;

void setup() {

  // TRIG је излаз
  pinMode(trigPin, OUTPUT);

  // ECHO је улаз
  pinMode(echoPin, INPUT);

  // Покретање серијске комуникације
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {

  // Ресетовање TRIG сигнала
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  // Слање ултразвучног импулса
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  // Мерење трајања ECHO импулса
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);

  // Израчунавање растојања
  distance = duration * 0.034 / 2;

  // Слање само бројчане вредности
  Serial.println(distance, 2);

  // Пауза до следећег мерења
  delay(500);
}

distance = duration * 0.034 / 2

25.47
48.12
102.85

Processing програм

Processing чита вредност растојања коју Arduino шаље преко серијске комуникације и приказује је у облику хоризонталне траке. Што је објекат удаљенији од сензора, трака је дужа.

import processing.serial.*;

// Објекат за серијску комуникацију
Serial myPort;

// Текст који стиже са Arduino плоче
String data;

// Измерено растојање
float distance = 0;

// Максимална вредност која се приказује
float maxDistance = 200;

void setup() {

  size(700, 250);

  // Повезивање на први серијски порт
  // По потреби променити индекс
  myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);

  myPort.clear();

  // Позива serialEvent када стигне нови ред
  myPort.bufferUntil('\n');

  textAlign(LEFT, CENTER);
}

void draw() {

  background(245);

  // Наслов
  fill(0);
  textSize(24);
  text("Мерење растојања ултразвучним сензором", 20, 30);

  // Приказ вредности
  textSize(22);
  text("Растојање: " + nf(distance, 1, 2) + " cm", 20, 75);

  float x = 20;
  float y = 120;
  float w = 640;
  float h = 35;

  // Оквир траке
  noFill();
  stroke(0);
  rect(x, y, w, h);

  // Израчунавање ширине траке
  float barWidth = map(distance, 0, maxDistance, 0, w);

  // Ограничење вредности
  barWidth = constrain(barWidth, 0, w);

  // Попуњена трака
  noStroke();
  fill(0);
  rect(x, y, barWidth, h);

  // Ознаке
  fill(0);
  textSize(16);

  text("0 cm", x, y + 55);
  text(int(maxDistance) + " cm", x + w - 60, y + 55);

  text(
    "Што је трака дужа, објекат је даље од сензора.",
    20,
    210
  );
}

// Позива се када стигне нова линија текста
void serialEvent(Serial myPort) {

  data = myPort.readStringUntil('\n');

  if (data != null) {

    data = trim(data);

    try {

      distance = float(data);

    }
    catch(Exception e) {

      // Игнорише неисправне податке

    }
  }
}

35.42

Како систем функционише?

Серијска комуникација

Arduino шаље податке Processing програму преко USB кабла.

Реално време

Растојање се континуирано мери и приказује.

Могућа проширења пројекта

Након успешно реализоване вежбе ученици могу да прошире пројекат на различите начине:

• додавањем LED диода које сигнализирају близину препреке,
• употребом звучника (buzzer-а) за звучно упозорење,
• цртањем графика растојања током времена,
• чувањем података у CSV датотеку,
• прављењем система за паркирање,
• израдом робота који избегава препреке.

Графички приказ

Приказ мерења помоћу графика и напредних визуелизација.

Роботика

Употреба ултразвучног сензора за избегавање препрека.

⚠️ На шта треба обратити пажњу

• Проверити исправност свих повезаних жица.
• Уверити се да су TRIG и ECHO повезани на исправне пинове.
• Проверити COM порт у Processing програму.
• Не постављати препреку сувише близу сензора.
• Избегавати лабаве контакте на breadboard плочи.
• Пре покретања програма проверити комплетно коло.

Додатно читање

Уколико желите да детаљније научите рад са Arduino платформом, сензорима и Processing окружењем, препоручујемо следеће лекције:

Увод у Arduino

Основни појмови, Arduino IDE и први програми.

Arduino и ESP32

Поређење Arduino и ESP32 платформи.

HC-SR04 ултразвучни сензор

Упознавање са радом и применом ултразвучних сензора.

Након савладавања ових лекција биће лакше разумети напредније пројекте који користе више сензора, микроконтролера и визуелизацију података у реалном времену.

Вежба: Мерење температуре и влажности помоћу DHT11 сензора

У овој вежби ученици ће научити како да користе DHT11 сензор за мерење температуре и влажности ваздуха помоћу Arduino Uno микроконтролерске плоче. Поред самог мерења, подаци ће бити послати на рачунар преко серијске комуникације и приказани у реалном времену помоћу алата Processing.

Ово је једна од основних вежби у оквиру радионица примењене електронике и креативног програмирања, јер повезује:

• рад са сензорима,
• Arduino програмирање,
• серијску комуникацију,
• визуелизацију података,
• обраду података у реалном времену.

Arduino + DHT11

Повезивање сензора температуре и влажности са Arduino Uno плочом.

Processing визуелизација

Приказ вредности температуре и влажности у реалном времену.

🌡️ Шта је DHT11?

DHT11 је дигитални сензор који омогућава мерење:

• температуре ваздуха,
• релативне влажности ваздуха.

Сензор је веома популаран у образовању и почетним IoT пројектима јер је једноставан за употребу и не захтева сложену електронику. Arduino преко једног пина комуницира са DHT11 сензором и добија податке у дигиталном облику.

DHT11 сензор

Мери температуру и влажност ваздуха.

Принцип рада

Сензор шаље дигиталне податке Arduino плочи.

🧰 Потребна опрема

За ову вежбу потребно је следеће:

• Arduino Uno плоча,
• DHT11 сензор,
• breadboard плоча,
• повезне жице,
• USB кабл,
• рачунар са Arduino IDE и Processing окружењем.

Потребна опрема

Arduino Uno, DHT11, breadboard и повезне жице.

Breadboard

Омогућава брзо повезивање компоненти без лемљења.

🔌 Повезивање компоненти

DHT11 сензор обично има три или четири пина:

• VCC – напајање (5V),
• GND – маса,
• DATA – пин за комуникацију са Arduino плочом.

DATA пин сензора повезујемо на један од дигиталних пинова Arduino плоче (у примеру пин 2).

Шема повезивања

Повезивање DHT11 сензора са Arduino Uno плочом.

Реално коло

Практична реализација на breadboard плочи.

💻 Arduino програм

Arduino очитава температуру и влажност и затим шаље податке рачунару преко серијске комуникације.

#include <DHT.h>

// Pin na koji je povezan DATA pin senzora
#define DHTPIN 2

// Tip senzora
#define DHTTYPE DHT11

// Kreiranje DHT objekta
DHT dht(DHTPIN, DHTTYPE);

void setup() {

  // Pokretanje serijske komunikacije
  Serial.begin(9600);

  // Pokretanje senzora
  dht.begin();
}

void loop() {

  // Očitavanje temperature
  float temperature = dht.readTemperature();

  // Očitavanje vlažnosti
  float humidity = dht.readHumidity();

  // Provera da li je očitavanje uspešno
  if (isnan(temperature) || isnan(humidity)) {

    Serial.println("Greška pri očitavanju sa DHT11 senzora!");
    return;
  }

  // Slanje podataka Processing programu
  Serial.print(temperature);
  Serial.print(",");

  Serial.println(humidity);

  // Pauza između očitavanja
  delay(1000);
}

24.5,58.0

🎨 Processing програм

Processing прима податке са Arduino плоче и приказује их у реалном времену.

import processing.serial.*;

Serial myPort;

String data;

float temp, hum;

void setup() {

  size(400, 200);

  // Povezivanje sa serijskim portom
  myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);
}

void draw() {

  background(255);

  fill(0);

  textSize(20);

  // Prikaz temperature
  text("Temperature: " + temp + " °C", 50, 80);

  // Prikaz vlažnosti
  text("Humidity: " + hum + " %", 50, 120);

  // Provera da li postoje podaci
  if (myPort.available() > 0) {

    // Čitanje jednog reda teksta
    data = myPort.readStringUntil('\n');

    // Provera validnosti podataka
    if (data != null && data.contains(",")) {

      // Razdvajanje temperature i vlažnosti
      String[] values = split(trim(data), ",");

      if (values.length == 2) {

        temp = float(values[0]);

        hum = float(values[1]);
      }
    }
  }
}

24.5,58.0

⚡ Како систем функционише?

Серијска комуникација

Arduino шаље податке Processing програму преко USB кабла.

Реално време

Температура и влажност се непрекидно ажурирају.

🚀 Могућа проширења пројекта

Након основне вежбе ученици могу да прошире пројекат:

• графичким приказом података,
• динамичким бар-графиком,
• упозорењима када температура пређе границу,
• чувањем података у CSV фајл,
• прављењем IoT система са ESP32 плочом.

Графички приказ

Динамички приказ вредности кроз графике и анимације.

IoT проширење

Слање података преко WiFi мреже помоћу ESP32 плоче.

⚠️ На шта треба обратити пажњу

• Проверити да ли су VCC и GND правилно повезани.
• Не повезивати Arduino на рачунар док коло није проверено.
• Уверити се да је инсталирана DHT библиотека.
• Проверити COM порт у Processing програму.
• Не користити предугачке жице јер могу изазвати шум.

🔗 Додатно читање

Уколико желите да детаљније научите основе рада са Arduino платформом, препоручује се да најпре прођете уводне лекције које објашњавају основне појмове, рад са микроконтролерима, повезивање компоненти и развој једноставних пројеката.

Увод у Arduino

Основни појмови, Arduino IDE, повезивање плоче и први програми.

Arduino и ESP32

Поређење платформи, могућности и избор одговарајућег микроконтролера.

Температурни сензори

Додатна лекција о мерењу температуре помоћу Arduino платформе и различитих сензора.

Након савладавања ових лекција, ученици ће лакше разумети рад са серијском комуникацијом, Processing визуелизацијом и сложенијим IoT пројектима који користе више сензора и микроконтролера.

Вежба: Arduino и сензор осветљења (LDR)

У овој вежби ученици се упознају са радом сензора осветљења (LDR) и мерењем нивоа светлости у окружењу помоћу Arduino Uno микроконтролера. Ово је једна од основних вежби у области примењене електронике и представља добар увод у рад са аналогним сензорима.

Кроз овај пример ученици уче како да сензор претворе у део једноставног мерења, како да очитају вредност у Arduino IDE-у и како да ту вредност прикажу у реалном времену помоћу Processing-а.

👉 За додатни увод у платформу погледај:
Увод у Arduino програмирање

Arduino Uno

Основна плоча за читање података са сензора и прве експерименте.

LDR сензор

Фотоотпорник чији се отпор мења у зависности од јачине светлости.

🔧 Потребна опрема

🧠 Како ради LDR сензор?

LDR (Light Dependent Resistor) је фотоотпорник чији се отпор мења у зависности од количине светлости:

• ☀️ више светлости → мањи отпор
• 🌙 мање светлости → већи отпор

LDR и фиксни отпорник од 10kΩ формирају напонски делитељ, па Arduino на аналогном улазу A0 може да очита вредност од 0 до 1023. Та вредност зависи од нивоа светлости у просторији.

👉 За детаљније објашњење рада LDR сензора и напонског делитеља погледај:
LDR сензор – детаљно објашњење и проширена вежба

⚠️ Важно пре повезивања

🔌 Повезивање

Повезивање LDR сензора на Arduino

💻 Arduino код

const int sensorPin = A0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  int lightValue = analogRead(sensorPin); // 0 (dark) to 1023 (bright)
  Serial.println(lightValue);
  delay(200);
}

📊 Processing код

import processing.serial.*;
Serial myPort;
String val = "";
int lightLevel = 0;

void setup() {
  size(400, 200);
  myPort = new Serial(this, Serial.list()[0], 9600);
}

void draw() {
  background(255);
  fill(0);
  textSize(20);
  text("Light Intensity: " + lightLevel, 50, 100);

  if (myPort.available() > 0) {
    val = myPort.readStringUntil('\n');
    if (val != null) {
      lightLevel = int(trim(val));
    }
  }
}

🔎 Шта се дешава у целом систему?

• LDR осећа светлост и мења отпор.
• Arduino чита вредност са аналогног улаза.
• Вредност се шаље преко серијске комуникације.
• Processing прима вредност и приказује је на екрану.

💡 Вежба 2.1: Додавање LED диоде

У наставку вежбе може се додати и LED диода која реагује на ниво светлости. Када је у просторији тамније, LED може да светли јаче, а када је више светла, да слабије светли. На тај начин добија се једноставан модел аутоматског осветљења.

LED диода се повезује преко отпорника од 220Ω, како би се заштитила од превелике струје.

Проширена вежба: LDR + LED

Повезивање LED диоде

• анода LED диоде → пин 9 преко 220Ω отпорника
• катода LED диоде → GND

Arduino код са LED диодом

const int sensorPin = A0;
const int ledPin = 9;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(ledPin, OUTPUT);
}

void loop() {
  int lightValue = analogRead(sensorPin); // 0 (dark) to 1023 (bright)
  int ledValue = map(lightValue, 0, 1023, 255, 0);

  analogWrite(ledPin, ledValue);
  Serial.println(lightValue);

  delay(200);
}

Примена

Ова вежба има више практичних примена:

• аутоматско укључивање светла
• паметна расвета
• основе визуелизације података
• увод у рад са сензорима и микроконтролерима

Кроз овај пример ученици виде како се један једноставан сензор може користити у реалним техничким решењима и како се подаци могу приказати и обрадити помоћу Processing-а.

Закључак

Вежба са LDR сензором представља одличан први корак ка разумевању рада са аналогним сигналима, сензорима и визуелизацијом података. Ово знање је основа за наредне вежбе као што су DHT11, ултразвучни сензор, серво мотор и паметна башта.

Управо због тога је ова лекција важна као почетна тачка у серији практичних примера из области примењене електронике.