Ultrazvukový senzor HC-SR04 a JSN-SR04T - projekt Hladinomer

Ultrazvukový senzor HC-SR04 a JSN-SR04T - projekt Hladinomer
pridal deadawp 6.8. 2020 o 13:48 (naposledy upravené 8.6. 2022 o 20:05)

Dnes si predstavíme používané ultrazvukové senzory, ktoré je možné použiť s Arduinom pre radu projektov. Rozoberieme si vyhotovenie, detekčnú charakteristiku jednotlivých senzorov.

Princíp funkčnosti ultrazvukových senzorov HC-SR04 a JSN-SR04T:
Senzor vyšle Trigger signál dĺžky 10 mikrosekúnd. Od tohto momentu sa počíta čas do prijatia odrazených vĺn - Echo signálu. Na základe prepočtu (so známou rýchlosťou šírenia zvuku) je možné určiť vzdialenosť od objektu v centimetroch. Existujú verzie s dvomi samostatnými ovládacimi vývodmi, alebo s jedným - je ho možné prepínať medzi režimom Trigger a Echo. HC-SR04 je najpoužívanejší ultrazvukový senzor. Dokáže detegovať vzdialenosť 2 až 450 cm, pričom má 15° detekčnú charakteristiku. Ultrazvukový signál na frekvencii 40kHz, spotreba na úrovni 8mA pri 5V napájaní.

JSN-SR04T je vodotesný variant ultrazvukového senzora. Dokáže detegovať vzdialenosť 20 až 600 cm s 60° detekčnou charakteristikou. Ultrazvukový signál na frekvencii 40kHz, spotreba na úrovni 8mA pri 5V napájaní. Senzor je presnejší ako HC-SR04 a násobne drahší. Senzor obsahuje aj riadiacu dosku (nie vodotesnú) a 1 metrový kábel s možnosťou rozšírenia o ďalšie metrové prepojky.

Detekčná chrakteristika popisuje šírku lúča, ktorý senzor vysiela a následne prijíma. Čím je detekčná chrakteristika väčšia, tým väčšia je aj detegovaná plocha. V prípade využívania ultrazvukového senzora v užších podmienkach (studňa, rúra) môže práve chrakteristika znepresniť merania a prináša do meraní ruchy spôsobené odrazmi ultrazvukových vĺn od stien rúry, studne.

Detekcia s odrazmi od stien studne môže v čase vyzerať následovne (každé meranie využívalo priemer 10-tich meraní):

Detekčná chrakteristika HC-SR04 - 0 až 450cm - 15°:

Detekčná chrakteristika JSN-SR04T - 0 až 450cm - 60°:

Z výsledkov meraní je zremé, že pri 450cm vzdialenosti prekážky od senzora HC-SR04 deteguje oblasť s priemerom na úrovni cca 120cm. JSN-SR04T deteguje oblasť s priemerom cca 600cm. Prostredníctvom výpočtu trigonometriou je možné vypočítať ku konkrétnej vzdialenosti maximálnu merateľnú vzdialenosť bez odrazov.

Implementácia trigonometrie je obsiahnutá aj v mojom projekte pre Hladinomer, kde je možné experimentálne vypočítať teoretickú merateľnú hĺbku studne pri známom priemere studne.

V poslednej revíziu projektu Hladinomer boli do projektu obsiahnuté aj Deep Sleep módy pre mikrokontroléry ESP8266, ESP32 a taktiež aj možnosť využitia senzoru JSN-SR04T, ktorému zodpovedá rovnaká schéma zapojenia ako pre HC-SR04.

Výpočet maximálnej hĺbky studne bez odrazov so známym priemerom studne:
H_MAX = PRIEMER_STUDNE / TG(CHRAKTERISTIKA_V_RADIANOCH)