Dominando Circuitos de Sensor Ultrassônico: O Guia Definitivo

Animais como golfinhos e morcegos usam ruído acústico e som para navegar e expor seus arredores. Este fenômeno é chamado ecolocalização. Apesar de ser descoberto primeiro em animais não-humanos, não é único a eles. Por exemplo, pessoas cegas demonstraram capacidade de ecolocalizar também. No entanto, mais importante, adaptamos isso à tecnologia moderna. Um bom exemplo disso é o circuito de sensor ultrassônico. Este guia explorará o que é, o que faz e como você pode criar o seu próprio.

O que é um Sensor Ultrassônico?

Sensor ultrassônico Sparki

Fonte:https://commons.wikimedia.org

Ultrassom descreve uma onda sonora que é uma frequência além do alcance da audição humana. Como tal, torna-se um grande candidato para ecolocalização sintética.

Muito como sistemas de som hipersônicos, sensores ultrassônicos funcionam neste princípio emitindo ondas sonoras. Estas ondas sonoras então ricocheteiam em objetos e retornam ao sensor. Subsequentemente, o sensor calculará a distância medindo o tempo de viagem e velocidade do som de sua base ao objeto.

Assim, simplesmente, sensores ultrassônicos são essencialmente uma maneira custo-efetiva e confiável de medir e detectar presença de objetos e a distância entre objetos. Funcionam como meio termo entre o sensor de proximidade e o sensor de distância a laser em alcance e custo. Essencialmente, sensores ultrassônicos cobrem distância maior que sensores de proximidade mas menor que sensores de distância a laser.

Médico segurando vara ultrassom transvaginal

Aplicações e Principais Benefícios dos Sensores Ultrassônicos

Aqui está um resumo de algumas das vantagens e usos dos sensores ultrassônicos:

• Podem detectar objetos pequenos em grandes distâncias (50mm a 3,5m)
• Suas capacidades de medição e detecção são indiscriminadas da superfície e textura do alvo
• Sensores ultrassônicos são ótimos para detecção e medição de:
  • Materiais sólidos como metal, madeira, plástico, papel, cortiça, vidro, etc.
  • Bens enrolados como tecidos e têxteis
  • Bens a granel como açúcar, farinha, batatas, etc.
  • Líquidos como água, óleo, suco, etc
• São ideais para aplicações de saúde como exames de gravidez
• Podemos usá-los em sistemas de detecção de colisão para carros
• Sensores ultrassônicos são independentes da cor do alvo
• São independentes de ruído ambiente, níveis de luz e variações de temperatura
• São independentes de vapor, neblina, poeira e alta umidade
• São de estado sólido — têm vida útil quase ilimitada e livre de manutenção

Tipos de Sensores Ultrassônicos

Podemos dividir sensores ultrassônicos em três grupos ou tipos:

• Detecção de objetos: Estes tipos de sensores ultrassônicos só têm saídas discretas ligado/desligado.
• Medição de distância (sensor de distância ultrassônico): Estes sensores ultrassônicos usam tempo de viagem para determinar a distância entre objetos. Só têm saída analógica.
• Tipo combinado: estes tipos de sensores ultrassônicos têm capacidades de detecção de objeto e medição de distância

Na maioria dos casos, há apenas 15% de diferença de preço entre um sensor que tem ambas capacidades e o sensor mínimo mais barato. No entanto, escolher o sensor ideal pode ser um pouco avassalador com todas as opções disponíveis.

Por isso é bom entender todas as especificações e parâmetros disponíveis (saída, diâmetro, distância, etc.)

Como Fazer um Circuito de Sensor Ultrassônico

Nesta seção do guia, exploraremos como criar e trabalhar com seu próprio sensor ultrassônico.

Componentes e Materiais

• Protoboard sem solda de 400 pontos
• 6 x fios jumpers
• Arduino Mega 2560 REV3
• Sensor Ultrassônico HC-SR04
• Trena

Você também precisará de um computador e algum conhecimento funcional do Arduino IDE.

Informações Prévias

Sensor Ultrassônico HC-SR04

Antes de começarmos o tutorial, vamos cobrir algumas coisas sobre o sensor ultrassônico HC-SR04. Primeiro, você notará que os maiores componentes no sensor ultrassônico HC-SR04 são dois cilindros idênticos. O cilindro esquerdo é o que conhecemos como transmissor, enquanto o outro é o receptor. Consequentemente, você pode dizer qual é qual pelos rótulos na placa (T = transmissor e R = Receptor).

O transmissor envia ondas ultrassônicas enquanto o receptor detecta quaisquer ondas que ricocheteiam de um objeto. Você notará que o sensor ultrassônico HC-SR04 tem quatro pinos:

• Pino Vcc: Pino de entrada que alimenta o módulo (5V)
• Pino GND: Pino de aterramento — você o conecta ao terra no seu microcontrolador
• Pino TRIG: Pino de gatilho — o pino do transmissor (pino de saída que conecta o componente transmissor) — transmite pulso de gatilho
• Pino ECHO: Pino de saída para receber sinais (conecta ao componente receptor)

No entanto, este projeto visa detectar um objeto na frente do sensor e então exibi-lo. Neste caso, o projeto exibirá os resultados no monitor serial. Se você quiser adicionar funcionalidade ou complexidade a este projeto, pode adicionar um display RGB.

Instruções

Diagrama Arduino Sensor Ultrassônico

Fonte: https://commons.wikimedia.org/

Conectando a placa Arduino ao Sensor HC-SR04

Primeiro, vamos conectar nosso circuito. Novamente, você notará que o projeto é simples o suficiente para usar qualquer microcontrolador Arduino barato.

1. Use um dos seus fios jumpers para conectar o pino Vcc do sensor HC-SR04 ao header 5V no Arduino Mega.

*Nota: você pode usar a protoboard como ponte ou conectar o módulo HC-SR04 diretamente ao Arduino

2. Em seguida, conecte o Gnd/GND no módulo do sensor ultrassônico ao terra (GND) header no microcontrolador Arduino

3. Conecte o pino Trig (gatilho) do módulo do sensor ultrassônico ao header 10 no microcontrolador Arduino

4. Finalmente, conecte o pino Echo ao header 11 no microcontrolador Arduino

Uma vez que termine de segurar as conexões acima, pode começar a trabalhar no código. Você precisará conectar seu microcontrolador Arduino ao seu PC através de cabo. Novamente, deve garantir que instalou o Arduino IDE e está funcional no referido computador.

Programando o Projeto

1. Conecte a placa Arduino ao seu computador.

2. Execute o Arduino IDE.

3. Crie um novo sketch e nomeie sketch_nov08a.

4. Em seguida, inclua a biblioteca NewPing.h. (#Include <NewPing.h>)

*Nota: A biblioteca NewPing.h contém uma incrível variedade de classes e funções que tornam a codificação para seu componente ultrassônico fácil.

5. Em seguida, instancie um objeto NewPing e nomeie Sonar (NewPing sonar(10,11, 20)). Consequentemente, o construtor Sonar aceita três parâmetros:

• O pino de gatilho
• O pino de eco
• A distância máxima em centímetros (o sensor HC-SR04 tem distância máxima de 4m)

6. Sob a função setup, chame a função begin da biblioteca de comunicação Serial e use 9600 como argumento — Serial.begin(9600)

7. Em seguida, chame a função delay com 60 milissegundos como argumento (delay(50))

8. Sob a função loop, adicione uma chamada à função print da biblioteca Serial com "A distância é:" como argumento (Serial.print("A distância é:")).

9. Novamente, adicione outra chamada à função print. Mas desta vez, adicione uma chamada aninhada à função ping_cm do objeto sonar como argumento (Serial.print(sonar.ping_cm())).

10. Finalmente, adicione atraso de 1 segundo (delay(1000))

Uma vez feito isso, execute o código e porte para qualquer porta que tenha conectado o cabo. O Sketch final deve parecer com isto:

Captura de tela do sketch

Fonte: https://imgur.com/5pWRX1e

Se você escreveu e compilou o código acima corretamente, sua tela de console/monitor serial parecerá com isto sempre que colocar um objeto na frente do sensor:

Captura de tela da saída

Fonte: https://imgur.com/fTg4D5K

Se você tem interesse em projeto mais desafiador, por que não visita nosso guia de Sensor de Proximidade Arduino?

Conclusão

Trabalhar com ultrassom ou ultrassônico é uma ótima maneira de mostrar como podemos usar ecolocalização em tecnologia cotidiana. O guia acima explorou o que é um sensor ultrassônico. Além disso, para ajudá-lo a entender o conceito de detecção ultrassônica, também incluímos um breve tutorial que mostra como usar um módulo ultrassônico com microcontrolador Arduino. No entanto, esperamos que você tenha gostado de ler este guia. Como sempre, obrigado por ler.