HC-SR04 ultrasone sensor

Wat het is

De HC-SR04 is een ultrasone afstandssensor: het kleine bord met twee zilveren cilinders die robotogen lijken. Hij meet afstand zoals een vleermuis of duikboot: hij zendt een burst geluid uit dat te hoog is om te horen, luistert naar de echo en meet hoe lang de heen- en terugweg duurt. Voor enkele dollars krijgt een robot zo zicht op de ruimte vóór zich, waardoor hij de standaardsensor is in vrijwel elke eerste robot met obstakelvermijding.

De twee cilinders zijn een zender en een ontvanger. De ene tikt, de andere luistert. Al het andere op het bord is timingelektronica die de echo omzet in een signaal dat je microcontroller kan meten.

Hoe het werkt

De sensor spreekt een eenvoudige taal met twee lijnen:

1. Je geeft de Trigger-pin 10 microseconden een HIGH-puls.
2. De sensor zendt acht ultrasone pulsen uit op 40 kHz en brengt de Echo-pin omhoog.
3. Wanneer de echo terugkomt, brengt hij Echo weer LOW.
4. Je meet hoe lang Echo hoog bleef.

De pulsbreedte is de heen- en terugtijd. Geluid beweegt ongeveer 343 m/s in lucht, dus distance = (echo_time × 343) / 2; de deling door twee is nodig omdat het geluid eruit ging en terugkwam. De meeste Arduino-code verpakt dit in pulseIn() en wat rekenwerk.

Omdat de meting van de geluidssnelheid afhangt, verandert de waarde licht met de temperatuur; geluid beweegt sneller in warme lucht. Voor een robot die muren vermijdt is die fout verwaarloosbaar; voor nauwkeurige afstandsmeting telt hij en zou je de temperatuur moeten compenseren.

Wanneer je hem gebruikt

Kies een HC-SR04 zodra een robot ongeveer moet weten hoe ver het dichtstbijzijnde object verwijderd is: obstakelvermijding, wandvolgen, een beveiliging tegen van de tafel rijden of het activeren van gedrag wanneer iets nadert. De brede bundel is hier zelfs nuttig: een obstakel is moeilijk te missen.

Kies iets anders wanneer je een nauwkeurige afstand, een smalle bundel of snelle updates nodig hebt. Een looptijdsensor gebruikt licht in plaats van geluid en levert een compacte, snelle meting met millimeternauwkeurigheid, beter voor kaart maken of een specifieke opening beoordelen.

Bedrading en valkuilen

• Echo is een 5V-pin. Op een 5V-bord zoals de Arduino Uno is dat goed. Op een bord van 3,3 V zoals de ESP32 plaats je een spanningsdeler op Echo, anders riskeer je beschadiging van de pin.
• Houd rekening met de blinde vlek en de kegel. Niets dichter dan ~2 cm wordt geregistreerd, en de bundel van ~15° betekent dat de sensor het dichtstbijzijnde object in een kegel meldt; een tafelpoot opzij kan hem dus activeren.
• Zachte en schuine objecten liegen. Foam, stof of een muur onder een steile hoek verstrooien de echo weg van de ontvanger, waardoor de sensor “ver” of niets leest. Hij werkt het best op vlakke, harde oppervlakken die recht op hem gericht staan.
• Vraag niet te snel opnieuw een meting aan. Laat ~60 ms tussen metingen zodat de vorige echo is verdwenen; vraag je sneller opnieuw een ping aan, dan geven strooisignalen onjuiste waarden. Filteren helpt; zie sensorruis beheersen.

Pindindeling

De vier pinnen staan altijd in deze volgorde en de module is vrijwel altijd zo geplaatst dat de pinnen van de transducers af wijzen. Daardoor staat VCC links als je naar de “ogen” kijkt.

Aansluiten op een Arduino

Het probleem met 3,3 V

De Echo-pin stuurt volledige 5 V, terwijl een GPIO van een ESP32 of Raspberry Pi maximaal 3,3 V mag verdragen. 5 V toevoeren aan zo’n pin ligt boven het absolute maximum. De pin overleeft dat vaak een tijdje, maar beschadigt hem wel echt. Twee weerstanden lossen het op:

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

Deze spanningsdeler levert 5 V × 2/(1+2) = 3.33 V. Elke verhouding rond 2:1 werkt, bijvoorbeeld 1 kΩ en 2 kΩ of 10 kΩ en 20 kΩ. Gebruik geen waarden boven ongeveer 20 kΩ, want de ingangscapaciteit van de pin vertraagt de flank dan genoeg om de timing te verstoren die je wilt meten.

De afstandsrekensom en waar die misgaat

distance = (echo_microseconds x speed_of_sound) / 2

Geluid beweegt bij 20 °C met 343 m/s, oftewel 0,0343 cm/µs. Dat levert de constante die iedereen gebruikt: deel de echotijd door 58,2 om centimeters te krijgen.

De geluidssnelheid is temperatuurafhankelijk, ongeveer:

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

Op 2 m is dat ongeveer 7 cm verschil tussen een garage in de winter en een warme kamer. Voor obstakelvermijding is het verwaarloosbaar. Compenseer bij het meten van openingen; als je een MPU-6050 of vrijwel elke andere I²C-sensor op de robot hebt, heb je al een temperatuurmeting.

Minimaal werkende code

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);
}

Drie details daarin bepalen het verschil tussen een werkende en een niet-werkende sensor:

De timeout is niet optioneel. pulseIn zonder timeout blokkeert totdat er een echo binnenkomt, en op een zacht of schuin oppervlak komt die nooit. De robot lijkt op willekeurige momenten te bevriezen, terwijl de oorzaak op alles behalve de sensor lijkt.

Nul is geen afstand. Een timeout betekent “er is niets teruggekomen”, meestal omdat het dichtstbijzijnde object ver weg of onzichtbaar is; het tegenovergestelde van nul. Code die een timeout als 0 cm behandelt, laat de robot in een lege kamer in nooodstop gaan.

De mediaan van drie verwijdert de afwijkende waarde die deze sensoren regelmatig produceren. Eén onterechte waarde van 20 cm in open ruimte is genoeg om een robot een bocht de muur in te laten sturen.

Het bundelpatroon eerlijk bekijken

De specificatie noemt 15°, wat klinkt als een smalle zaklampstraal. Dat is het niet; dit is de halve hoek van de hoofdlob en het praktische gevolg is dat de sensor op 1 m een kegel van ongeveer 50 cm breed detecteert.

De sensor meldt het dichtstbijzijnde object dat zich ergens in die kegel bevindt en zegt niets over de positie binnen de kegel. Daarom detecteert een HC-SR04 een deurpost die hij niet kan lokaliseren en activeert een ver naar opzij staande tafelpoot de robot.

Voor het doorzwerven van een kamer is dat een voordeel; een obstakel is heel moeilijk te missen. Om de afstand tot een bepaald object te meten, is het ongeschikt en wil je een VL53L0X.

Wat hij niet kan zien

Dit volgt uit de natuurkunde, niet uit defecten, en het ontwerpen rond deze grenzen is de taak:

Een robot die alleen op ultrasone afstandsmeting vertrouwt, duwt uiteindelijk een gordijn voordat iets meegeeft. Daarom is een botsschakelaar de goedkoopste betrouwbare vorm van betrouwbaarheid op de hele robot.

Problemen oplossen

HC-SR04 of VL53L0X?

Ze falen bij tegenovergestelde materialen, waardoor de keuze eenvoudig is zodra je de ruimte kent. Sonar ziet een doos met zwarte stof die de laser niet ziet; de laser ziet een glazen deur onder een hoek die sonar niet ziet. Bij een robot die betrouwbaar moet werken, is het eerlijke antwoord vaak beide, plus een botsschakelaar voor wanneer ze allebei fout staan.