معرفی ماژول سنسور آلتراسونیک HC-SR04 (Ultrasonic) به همراه کتابخانه پروتئوس

معرفی ماژول سنسور آلتراسونیک HC-SR04

برای دانلود کتابخانه پروتئوس بر روی Ultrasonic-Sensor-Library-For-Proteus-master.zipکلیک کنید.

سنسورهای آلتراسونیک در کنار سنسورهای مادون قرمز و لیزری می ­توانند در سنجش فاصله کمک کنند. سنسور فاصله ­یاب مبتنی بر امواج آلتراسونیک، در بازه امواج فراصوتی بوده که معمولاً در فرکانس 40 کیلوهرتز کار می­ کند. گوش انسان، این امواج را در حول چنین فرکانسی نمی­ شنود. این امواج، زمانیکه از سنسور ساطع می شوند، به اجسام و موانع برخورد کرده و برخی از آنها به سنسور  برمی­ گردند. بنابراین، فاصله زمانی بین ارسال و دریافت این امواج، قابل اندازه ­گیری خواهد بود. از آنجاییکه سرعت امواج صوتی سنسور مشخص بوده و همچنین اختلاف زمانی را نیز داریم، لذا مسافت بین سنسور و شیء مورد نظر، قابل محاسبه است. برای محاسبه مسافت مورد نظر از رابطه زیر می ­توان استفاده کرد.

d=T/58

که در آن d، فاصله و T، دوره زمانی سپری شده است. همانطور که می­ دانیم، سرعت صوت بطور متوسط حدود 340m/s است. البته این مقدار بسته به شرایط جوی و دما می­تواند تغییر کند. رابطه دقیق­تر آن بر حسب دما به صورت زیر است:

C=331.5+(0.6*temp)

با فرض سرعت 340 متر بر ثانیه، صوت در هر 29 میکروثانیه، یک سانتیمتر مسافت را طی می­کند. از آنجاییکه زمان سپری شده به ازای رفت و برگشت است، در نتیجه 58 میکروثانیه نیاز است تا یک سانتیمتر طی گردد. در صورت تبدیل واحد سانتیمتر به اینچ، کافیست عدد 58 به 147 تغییر داده شود.

سنسورهای آلتراسونیک موجود، معمولاً دارای محدودیت مسافت حداقلی و حداکثری می­ باشند؛ بدین معنی که در اندازه ­گیری­ های بیشتر یا کمتر از حد مجاز، دچار خطا خواهند شد. بطور مثال برای مسافت­های بیشتر از 2 متر و کمتر از 15 سانتیمتر سنسور آلتراسونیک ممکن است دقت لازم را نداشته باشد. این سنسور می ­تواند در مترهای دیجیتال، فاصله­ سنج، ربات­ها و یا سیستم دزدگیر کاربرد داشته باشد. معروف‌ترین ماژول فرستنده-گیرنده آلتراسونیک، مدل     HC-SR04 نام دارد. این ماژول دارای 4 پایه می باشد که 2 پایه مربوط به تغدیه 5ولت و زمین بوده و پایه های دیگر به پایه های دیجیتال کنترلی است که معمولا با میکروکنترلر در ارتباط است. شکل زیر ماژول فرستنده-گیرنده آلتراسونیک مدل HC-SR04 را نشان می­دهد. 

جدول زیر مشخصات این سنسور را نشان می دهد.

توصیف پایه های ماژول HC-SR04

سنسور HC-SR04 یک مبدل اولتراسونیک است که دارای رابط 4 پین با نام‌های Vcc، Trigger، Echo و Ground است. برای اندازه گیری دقیق فاصله اشیا مورد نظر بسیار مفید است و عمدتاً بر روی امواج صوتی کار می کند. همانطور که ماژول را به 5 ولت وصل می کنیم و پایه تحریک را مقداردهی اولیه می کنیم، شروع به انتقال امواج صوتی می کند و در هوا حرکت می کند و به جسم مورد نظر برخورد می کند. این امواج به جسم برخورد می‌کنند و از آن به عقب باز می‌گردند و سپس توسط گیرنده ماژول جمع‌آوری می‌شوند.

فاصله مستقیماً متناسب با زمانی است که این امواج برای رفت و برگشت به گیرنده نیاز دارند. هرچه زمان بیشتری صرف شود، فاصله بیشتر خواهد شد. اگر پایه Trig به مدت 10 میکرو ثانیه بالا نگه داشته شود، امواج ارسالی تولید می شوند. این امواج با سرعت صوت حرکت می کنند و یک قطار صوتی 8 سیکلی را ایجاد می کنند که در پایه اکو جمع آوری می شود. پایه اکو برای مدت زمانی که این امواج طول می کشد تا به سمت انتهای گیرنده برگردند، روشن باقی می ماند. این سنسور عمدتاً با میکروکنترلر (مثلاً ماژول آردوینو) برای اندازه گیری فاصله مورد نیاز تعبیه شده است. برای محاسبه فاصله جسم از فرمول زیر استفاده می شود.

D = (V x t)/2

در جایی که D فاصله مورد نیاز است، V سرعت صوت و t زمانی است که امواج صوتی پس از برخورد با جسم برمی‌گردند. ما باید مقدار را بر 2 تقسیم کنیم زیرا زمان با حرکت امواج و بازگشت از نقطه اولیه دو برابر خواهد شد. تقسیم آن بر 2 فاصله واقعی شی مورد نظر را نشان می دهد.

کاربردهای ماژول

HC-SR04 با طیف گسترده ای از کاربردها ارائه می شود که عمدتاً اندازه گیری فاصله و جهت را شامل می شود. در زیر کاربردهای عمده ای که می توان برای آن استفاده کرد آورده شده است.

اندازه گیری سرعت و جهت

شارژ بی سیم

رطوبت سازها

سونوگرافی پزشکی

دزدگیر

سیستم امبدد

اندازه گیری عمق

آزمایش غیر مخرب