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.