HC-SR04 Ultrasonic Sensor

Qué es

El HC-SR04 es un sensor de distancia por ultrasonidos: la placa pequeña con dos cilindros plateados que parecen ojos de robot. Mide la distancia igual que lo haría un murciélago o un submarino: emite una ráfaga de sonido demasiado agudo para oírlo, escucha el eco y cronometra cuánto tarda el viaje de ida y vuelta. Por unos pocos dólares le da a un robot la noción del espacio que tiene delante, que es la razón por la que es el sensor por defecto del primer robot esquivador de obstáculos que casi todo el mundo monta.

Los dos cilindros son un emisor y un receptor. Uno chirría, el otro escucha. Todo lo demás en la placa es circuitería de temporización que convierte ese eco en una señal que tu microcontrolador puede medir.

Cómo funciona

El sensor habla un lenguaje sencillo de dos hilos:

1. Pones el pin Trigger en HIGH durante 10 microsegundos.
2. El sensor dispara ocho pulsos ultrasónicos a 40 kHz y pone Echo en HIGH.
3. Cuando vuelve el eco, vuelve a bajar Echo a LOW.
4. Mides cuánto tiempo estuvo Echo en HIGH.

Esa anchura de pulso es el tiempo de ida y vuelta. El sonido viaja a unos 343 m/s en el aire, así que distancia = (eco × 343) / 2: la división entre dos es porque el sonido fue y volvió. La mayoría del código de Arduino envuelve esto en un pulseIn() y un poco de aritmética.

Como depende de la velocidad del sonido, la lectura se desvía ligeramente con la temperatura (el sonido viaja más rápido en aire caliente). Para un robot que esquiva muros ese error es despreciable; para medición precisa sí importa, y lo compensarías por temperatura.

Cuándo usarlo

Recurre a un HC-SR04 siempre que un robot necesite saber a groso modo a qué distancia está lo más cercano: esquivar obstáculos, seguir una pared, un guardia de «no te salgas de la mesa», o disparar un comportamiento cuando algo se acerca. Su haz ancho aquí resulta útil: es difícil no ver un obstáculo.

Mira en otro sitio cuando necesites una distancia precisa, un haz estrecho o actualizaciones rápidas. Un sensor de tiempo de vuelo usa luz en lugar de sonido y da una lectura ajustada, rápida y precisa hasta el milímetro, mejor para cartografiar o para un robot que tiene que juzgar un hueco concreto.

Cableado y errores comunes

• Echo es un pin de 5 V. En una placa de 5 V como el Arduino Uno no hay problema. En una placa de 3,3 V como el ESP32, pon un divisor de tensión en Echo o corres riesgo de dañar el pin.
• Cuidado con el punto ciego y el cono. Nada más cerca de unos 2 cm se registra, y el haz de ~15° significa que el sensor informa de la cosa más cercana dentro de un cono: una pata de mesa al lado puede dispararlo.
• Los blancos blandos y angulos mienten. La espuma, la tela o una pared en ángulo muy cerrado dispersan el eco lejos del receptor, así que el sensor lee «lejos» o nada. Funciona mejor sobre superficies planas y duras que lo miren de frente.
• No sondees demasiado rápido. Deja unos 60 ms entre lecturas para que el eco anterior se haya desvanecido; si sondeas antes, los ecos espurios dan lecturas falsas. Filtrar el flujo ayuda; mira cómo domar el ruido de sensores.

Patillaje

Los cuatro pines están siempre en este orden, y el módulo casi siempre va orientado con los pines hacia el lado contrario a los transductores, así que VCC queda a la izquierda cuando miras a los «ojos».

Cablearlo a un Arduino

El problema de los 3,3 V

El pin Echo entrega 5 V completos, y un GPIO de ESP32 o Raspberry Pi está especificado para 3,3 V. Meterle 5 V está por encima de su máximo absoluto, y aunque a menudo aguanta un tiempo, está dañando el pin de verdad. Dos resistencias lo arreglan:

Echo ──┬── 1 kΩ ──┬── to 3.3 V GPIO
       │          │
       │        2 kΩ
       │          │
       └──────────┴── GND

Ese divisor da 5 V × 2/(1+2) = 3,33 V. Cualquier proporción cercana a 2:1 sirve: 1 kΩ y 2 kΩ, o 10 kΩ y 20 kΩ. No uses valores por encima de unos 20 kΩ, o la capacitancia de entrada del pin ralentiza el flanco lo suficiente como para distorsionar el tiempo que intentas medir.

La aritmética de la distancia, y dónde falla

distance = (echo_microseconds x speed_of_sound) / 2

El sonido viaja a 343 m/s a 20 °C, que es 0,0343 cm/µs. De ahí sale la constante que usa todo el mundo: divide el tiempo del eco por 58,2 para obtener centímetros.

La velocidad del sonido depende de la temperatura, aproximadamente:

speed (m/s) = 331.3 + 0.606 x temperature_celsius

A 2 m eso son unos 7 cm de diferencia entre un garaje en invierno y una habitación cálida. Para esquivar obstáculos es irrelevante. Para cualquier cosa que mida un hueco, compénsalo, y si tienes un MPU-6050 o casi cualquier sensor I²C en el robot, ya tienes una lectura de temperatura.

Código mínimo funcional

const int TRIG = 9, ECHO = 10;
const unsigned long TIMEOUT_US = 25000UL;   // ~4.3 m, past the sensor's range

void setup() {
  Serial.begin(115200);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
}

// Returns centimetres, or -1 when nothing came back.
float pingCm() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH); delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);

  unsigned long us = pulseIn(ECHO, HIGH, TIMEOUT_US);
  if (us == 0) return -1.0f;        // timeout: no echo, NOT "zero distance"
  return us / 58.2f;
}

// Median of three kills the occasional wild reading.
float pingMedianCm() {
  float a = pingCm(); delay(60);
  float b = pingCm(); delay(60);
  float c = pingCm();
  if (a > b) { float t = a; a = b; b = t; }
  if (b > c) { float t = b; b = c; c = t; }
  if (a > b) { float t = a; a = b; b = t; }
  return b;
}

void loop() {
  float cm = pingMedianCm();
  if (cm < 0) Serial.println("no echo");
  else        Serial.println(cm);
  delay(60);
}

Tres detalles de ahí son la diferencia entre un sensor que funciona y uno que no:

El timeout no es opcional. pulseIn sin timeout se bloquea hasta que llega un eco, y sobre una superficie blanda o en ángulo no llega nunca. El robot parece congelarse a intervalos aleatorios, y la causa no se parece en nada al sensor.

El cero no es una distancia. Un timeout significa «no volvió nada», que normalmente significa que lo más cercano está lejos o es invisible, justo lo contrario de cero. Un código que trata un timeout como 0 cm detendrá el robot de emergencia en una habitación vacía.

La mediana de tres descarta la lectura disparatada puntual que estos sensores producen con normalidad. Un solo valor espurio de 20 cm en espacio abierto basta para hacer que un robot se salte contra un muro.

Leer el patrón del haz con honestidad

La especificación dice 15°, que suena como el haz estrecho de una linterna. No lo es: ese es el semiángulo del lóbulo principal, y la consecuencia práctica es que a 1 m el sensor está escuchando un cono de unos 50 cm de diámetro.

El sensor informa de la cosa más cercana en cualquier parte de ese cono, y no te dice nada sobre dónde estaba dentro del cono. Por eso un HC-SR04 detecta un marco de puerta que no sabe localizar, y por eso una pata de mesa muy apartada dispara una parada.

Para recorrer una habitación eso es una ventaja: es muy difícil no ver un obstáculo. Para medir la distancia a una cosa concreta es descalificador, y lo que quieres es un VL53L0X.

Lo que no puede ver

Esto es física, no defectos, y diseñar en torno a ello es parte del trabajo:

Un robot que dependa solo de ultrasonidos acabará empujando una cortina hasta que algo ceda. Por eso un interruptor de choque es la fiabilidad más barata de todo el robot.

Resolución de problemas

¿HC-SR04 o VL53L0X?

Fallan con materiales opuestos, que es lo que hace fácil la elección en cuanto conoces la habitación. El sonar ve una caja forrada de tela negra que el láser no ve; el láser ve una puerta de cristal en ángulo que el sonar no ve. En un robot que tiene que ser fiable, la respuesta honesta suele ser ambos, más un interruptor de choque para cuando los dos se equivocan.