Arduino - Sensor Ultrassônico

Hardware Necessário

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Sobre o Sensor Ultrassônico

O sensor ultrassônico HC-SR04 é usado para medir a distância até um objeto usando ondas ultrassônicas.

Pinagem

O sensor ultrassônico HC-SR04 tem quatro pinos:

• Pino VCC: deve ser conectado ao VCC (5V)
• Pino GND: deve ser conectado ao GND (0V)
• Pino TRIG: este pino recebe o sinal de controle (pulso) do Arduino.
• Pino ECHO: este pino envia um sinal (pulso) para o Arduino. O Arduino mede a duração do pulso para calcular a distância.

Como Funciona

1. Microcontrolador: gera um pulso de 10 microssegundos no pino TRIG.
2. O sensor ultrassônico emite as ondas ultrassônicas automaticamente.
3. A onda ultrassônica é refletida depois de atingir um obstáculo.
4. O sensor ultrassônico:
• Detecta a onda ultrassônica refletida.
• Mede o tempo de percurso da onda ultrassônica.

Como Obter a Distância do Sensor Ultrassônico

Para obter a distância do sensor ultrassônico, só precisamos fazer dois passos (1 e 6 da parte Como Funciona)

• Gerar um pulso de 10 microssegundos no pino TRIG
• Medir a duração do pulso no pino ECHO e depois calcular a distância entre o sensor e o obstáculo

Cálculo da Distância

Temos:

• O tempo de percurso da onda ultrassônica (µs): travel_time = pulse_duration
• A velocidade da onda ultrassônica: speed = SPEED_OF_SOUND = 340 m/s = 0.034 cm/µs

Então:

• A distância percorrida pela onda ultrassônica (cm): travel_distance = speed × travel_time = 0.034 × pulse_duration
• A distância entre o sensor e o obstáculo (cm): distance = travel_distance / 2 = 0.034 × pulse_duration / 2 = 0.017 × pulse_duration

Arduino - Sensor Ultrassônico

Os pinos do Arduino podem gerar um pulso de 10 microssegundos e medir a duração de um pulso. Por isso, podemos obter a distância do sensor ultrassônico usando dois pinos do Arduino:

• Um pino é conectado ao pino TRIG para gerar o pulso de 10µs no pino TRIG do sensor
• Outro pino é conectado ao pino ECHO para medir o pulso vindo do sensor

Diagrama de Ligação

This image is created using Fritzing. Click to enlarge image

Como Programar o Sensor Ultrassônico

• Gere um pulso de 10 microssegundos em um pino do Arduino usando as funções digitalWrite() e delayMicroseconds(). Por exemplo, o pino 9:

• Meça a duração do pulso (µs) em um pino do Arduino usando a função pulseIn(). Por exemplo, o pino 8:

• Calcule a distância (cm):

Código Arduino

Passos Rápidos

• Copie o código acima e abra-o na Arduino IDE
• Clique no botão Upload na Arduino IDE para carregar o código no Arduino

• Abra o Serial Monitor
• Mova sua mão na frente do sensor ultrassônico
• Veja a distância do sensor até a sua mão no Serial Monitor

Explicação do Código

Leia a explicação linha por linha nos comentários do código!

Como Filtrar o Ruído das Medições de Distância do Sensor Ultrassônico

O resultado da medição do sensor ultrassônico contém ruído. Em algumas aplicações, o resultado com ruído causa um funcionamento indesejado. Podemos remover o ruído usando o seguinte algoritmo:

1. Fazer várias medições e guardá-las em um array
2. Ordenar o array em ordem crescente
3. Filtrar o ruído
• Algumas das menores amostras são consideradas ruído → ignore-as
• Algumas das maiores amostras são consideradas ruído → ignore-as
• ⇒ calcule a média das amostras do meio

O código de exemplo abaixo faz 20 medições

• As cinco menores amostras são consideradas ruído → ignore-as
• As cinco maiores amostras são consideradas ruído → ignore-as
• ⇒ calcule a média das 10 amostras do meio (da 5ª à 14ª)

/* * Este código de Arduino foi desenvolvido por pt.newbiely.com * Este código de Arduino é disponibilizado ao público sem nenhuma restrição. * Para tutoriais completos e diagramas de ligação, visite: * https://pt.newbiely.com/tutorials/arduino/arduino-ultrasonic-sensor */ #define TRIG_PIN 9 // TRIG pin #define ECHO_PIN 8 // ECHO pin float filterArray[20]; // array to store data samples from sensor float distance; // store the distance from sensor void setup() { // begin serial port Serial.begin (9600); // configure the trigger and echo pins to output mode pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT); pinMode(ECHO_PIN, INPUT); } void loop() { // 1. TAKING MULTIPLE MEASUREMENTS AND STORE IN AN ARRAY for (int sample = 0; sample < 20; sample++) { filterArray[sample] = ultrasonicMeasure(); delay(30); // to avoid untrasonic interfering } // 2. SORTING THE ARRAY IN ASCENDING ORDER for (int i = 0; i < 19; i++) { for (int j = i + 1; j < 20; j++) { if (filterArray[i] > filterArray[j]) { float swap = filterArray[i]; filterArray[i] = filterArray[j]; filterArray[j] = swap; } } } // 3. FILTERING NOISE // + the five smallest samples are considered as noise -> ignore it // + the five biggest samples are considered as noise -> ignore it // ---------------------------------------------------------------- // => get average of the 10 middle samples (from 5th to 14th) double sum = 0; for (int sample = 5; sample < 15; sample++) { sum += filterArray[sample]; } distance = sum / 10; // print the value to Serial Monitor Serial.print("distance: "); Serial.print(distance); Serial.println(" cm"); } float ultrasonicMeasure() { // generate 10-microsecond pulse to TRIG pin digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); // measure duration of pulse from ECHO pin float duration_us = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH); // calculate the distance float distance_cm = 0.017 * duration_us; return distance_cm; }

Vídeo

Desafie-se

Use o sensor ultrassônico para fazer um dos seguintes projetos:

• Evitar colisões em um carrinho de controle remoto.
• Detectar quando a lixeira está cheia.
• Monitorar o nível da lixeira.
• Abrir/fechar a lixeira automaticamente. Dica: Consulte Arduino - Servo Motor.

Conhecimento Adicional

Alguns fabricantes oferecem sensores ultrassônicos com 3 pinos. Os sinais TRIG e ECHO ficam no mesmo pino. Nesse caso, precisamos usar apenas um pino do Arduino para as duas funções: gerar um pulso para o sensor e medir o pulso vindo do sensor.

Aplicações do Sensor Ultrassônico

• Prevenção de Colisões
• Detecção de Recipiente Cheio
• Medição de Nível
• Detecção de Proximidade

Referências de Funções

• pinMode()
• digitalWrite()
• pulseIn()
• delayMicroseconds()
• delay()
• Serial

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