Sensor de alcance ultrassônico HC-SR04 no Raspberry Pi

Em tutoriais anteriores, descrevemos o sensor de temperatura, controladores de movimento PIR e botões e interruptores, que podem ser conectados diretamente às portas GPIO do Raspberry Pi. O telêmetro ultrassônico HC-SR04 é muito simples de usar, no entanto, o sinal que ele produz precisa ser convertido de 5 V para 3,3 V para não danificar nosso Raspberry Pi! Apresentaremos um pouco de Física e Eletrônica neste tutorial para explicar cada etapa!

O que você precisa:

HC-SR04

1kΩ Resistor

2kΩ Resistor

Jumper Wires



Sensores de distância ultrassônicos

O som consiste em ondas oscilantes através de um meio (como o ar) com a altura sendo determinada pela proximidade dessas ondas entre si, definida como a frequência. Apenas parte do espectro sonoro (a faixa de frequências das ondas sonoras) é audível ao ouvido humano, definido como a faixa “Acústica”. O som de frequência muito baixa abaixo do Acústico é definido como “Infrasom”, com os sons de alta frequência acima, chamados de “Ultrassom”. Os sensores ultrassônicos são projetados para detectar a proximidade ou alcance do objeto usando reflexão de ultrassom, semelhante ao radar, para calcular o tempo que leva para refletir as ondas de ultrassom entre o sensor e um objeto sólido. O ultrassom é usado principalmente porque é inaudível ao ouvido humano e é relativamente preciso em curtas distâncias. É claro que você poderia usar o som acústico para esse propósito, mas teria um robô barulhento, emitindo um bipe a cada poucos segundos. . . .

Um sensor ultrassônico básico consiste em um ou mais transmissores ultrassônicos (basicamente alto-falantes), um receptor e um circuito de controle. Os transmissores emitem um som ultrassônico de alta frequência, que reflete em qualquer objeto sólido próximo. Parte desse ruído ultrassônico é refletido e detectado pelo receptor no sensor. Esse sinal de retorno é então processado pelo circuito de controle para calcular a diferença de tempo entre o sinal sendo transmitido e recebido. Este tempo pode ser usado posteriormente, junto com alguma matemática inteligente, para calcular a distância entre o sensor e o objeto refletivo.

O sensor ultrassônico HC-SR04 que usaremos neste tutorial para o Raspberry Pi tem quatro pinos:terra (GND), saída de pulso de eco (ECHO), entrada de pulso de disparo (TRIG) e alimentação de 5 V (Vcc). Energizamos o módulo usando Vcc, aterramos usando GND e usamos nosso Raspberry Pi para enviar um sinal de entrada para TRIG, que aciona o sensor para enviar um pulso ultrassônico. As ondas de pulso refletem em qualquer objeto próximo e algumas são refletidas de volta para o sensor. O sensor detecta essas ondas de retorno e mede o tempo entre o disparo e o pulso retornado e, a seguir, envia um sinal de 5 V no pino ECHO.

ECHO estará “baixo” (0V) até que o sensor seja acionado quando receber o pulso de eco. Assim que um pulso de retorno for localizado, o ECHO é definido como “alto” (5 V) para a duração desse pulso. A duração do pulso é o tempo total entre a saída do sensor de um pulso ultrassônico e a detecção do pulso de retorno pelo receptor do sensor. Nosso script Python deve, portanto, medir a duração do pulso e, em seguida, calcular a distância a partir disso.

IMPORTANTE. O sinal de saída do sensor (ECHO) no HC-SR04 é classificado em 5V. No entanto, o pino de entrada no Raspberry Pi GPIO é avaliado em 3,3V. Enviar um sinal de 5 V para aquela porta de entrada de 3,3 V desprotegida pode danificar seus pinos GPIO, o que é algo que queremos evitar! Precisaremos usar um pequeno circuito divisor de tensão, que consiste em dois resistores, para diminuir a tensão de saída do sensor para algo que nosso Raspberry Pi possa suportar.

Divisores de tensão

Um divisor de tensão consiste em dois resistores (R1 e R2) em série conectados a uma tensão de entrada (Vin), que precisa ser reduzida à nossa tensão de saída (Vout). Em nosso circuito, Vin será ECHO, que precisa ser diminuído de 5V para nosso Vout de 3,3V.

O seguinte circuito e equação simples podem ser aplicados a muitas aplicações onde a tensão precisa ser reduzida. Se você não quiser aprender a parte técnica, basta pegar 1 x 1kΩ e 1 x 2kΩ resistor.

Sem nos aprofundarmos muito na matemática, só precisamos calcular o valor de um resistor, pois é a proporção de divisão que é importante. Conhecemos nossa tensão de entrada (5 V) e nossa tensão de saída necessária (3,3 V), e podemos usar qualquer combinação de resistores para obter a redução. Acontece que tenho um monte de resistores extras de 1kΩ, então decidi usar um deles no circuito como R1.



Monte o circuito

Usaremos quatro pinos no Raspberry Pi para este projeto:GPIO 5V [pino 2]; Vcc (alimentação de 5 V), GPIO GND [Pino 6]; GND (0 V terra), GPIO 23 [pino 16]; TRIG (saída GPIO) e GPIO 24 [pino 18]; ECHO (entrada GPIO)

1. Conecte quatro dos seus fios de jumper macho para fêmea nos pinos do HC-SR04 da seguinte maneira:Vermelho; Vcc, azul; TRIG, amarelo; ECHO e preto; GND.

2. Conecte o Vcc no trilho positivo da placa de ensaio e conecte o GND no trilho negativo.

3. Conecte GPIO 5V [pino 2] no trilho positivo e GPIO GND [pino 6] no trilho negativo.

4. Conecte o TRIG em um trilho vazio e conecte esse trilho no GPIO 23 [pino 16]. (Você pode conectar TRIG diretamente no GPIO 23 se desejar). Eu, pessoalmente, gosto de fazer tudo em uma placa de ensaio!

5. Conecte o ECHO em um trilho vazio, conecte outro trilho vazio usando R1 (resistor de 1kΩ)

6. Conecte seu trilho R1 ao trilho GND usando R2 (resistor de 2kΩ). Deixe um espaço entre os dois resistores.

7. Adicione GPIO 24 [pino 18] ao trilho com seu R1 (resistor de 1kΩ). Este pino GPIO precisa ficar entre R1 e R2

É isso! Nosso sensor HC-SR04 está conectado ao nosso Raspberry Pi!

Detectando com Python

Agora que conectamos nosso sensor ultrassônico ao nosso Pi, precisamos programar um script Python para detectar a distância!

A saída do sensor ultrassônico (ECHO) sempre terá uma saída baixa (0V), a menos que seja acionada, caso em que ela produzirá 5V (3,3V com nosso divisor de tensão!). Portanto, precisamos definir um pino GPIO como uma saída, para acionar o sensor, e um como uma entrada para detectar a mudança de voltagem ECHO.

Primeiro, importe a biblioteca Python GPIO, importe nossa biblioteca de tempo (para fazer nosso Pi esperar entre as etapas) e definir nossa numeração de pino GPIO.

importar RPi.GPIO como GPIO

tempo de importação

GPIO.setmode (GPIO.BCM)



Para obter mais detalhes:Sensor de alcance ultrassônico HC-SR04 no Raspberry Pi