Sensor de rango ultrasónico HC-SR04 en Raspberry Pi

En tutoriales anteriores, describimos la detección de temperatura, los controladores de movimiento PIR y los botones e interruptores, todos los cuales se pueden conectar directamente a los puertos GPIO de la Raspberry Pi. El telémetro ultrasónico HC-SR04 es muy simple de usar, sin embargo, la señal que emite debe convertirse de 5V a 3.3V para no dañar nuestra Raspberry Pi. ¡En este tutorial presentaremos algo de Física junto con Electrónica para explicar cada paso!

Qué necesitará:

HC-SR04

Resistencia de 1kΩ

Resistencia de 2kΩ

Cables de puente

Sensores de distancia ultrasónicos

El sonido consiste en ondas oscilantes a través de un medio (como el aire) y el tono está determinado por la cercanía de esas ondas entre sí, definida como la frecuencia. Solo una parte del espectro de sonido (el rango de frecuencias de ondas sonoras) es audible para el oído humano, definido como rango “acústico”. El sonido de muy baja frecuencia por debajo de Acústico se define como "Infrasonido", con sonidos de alta frecuencia por encima, llamado "Ultrasonido". Los sensores ultrasónicos están diseñados para detectar la proximidad o el alcance de un objeto mediante la reflexión del ultrasonido, similar al radar, para calcular el tiempo que se tarda en reflejar las ondas ultrasónicas entre el sensor y un objeto sólido. El ultrasonido se utiliza principalmente porque es inaudible para el oído humano y es relativamente preciso en distancias cortas. Por supuesto, podría usar el sonido acústico para este propósito, pero tendría un robot ruidoso que emitirá un pitido cada pocos segundos. . . .

Un sensor ultrasónico básico consta de uno o más transmisores ultrasónicos (básicamente altavoces), un receptor y un circuito de control. Los transmisores emiten un sonido ultrasónico de alta frecuencia, que rebota en cualquier objeto sólido cercano. Parte de ese ruido ultrasónico es reflejado y detectado por el receptor en el sensor. A continuación, el circuito de control procesa esa señal de retorno para calcular la diferencia de tiempo entre la señal que se transmite y la que se recibe. Este tiempo se puede utilizar posteriormente, junto con algunas matemáticas inteligentes, para calcular la distancia entre el sensor y el objeto reflectante.

El sensor ultrasónico HC-SR04 que usaremos en este tutorial para la Raspberry Pi tiene cuatro pines:tierra (GND), salida de pulso de eco (ECHO), entrada de pulso de activación (TRIG) y suministro de 5 V (Vcc). Alimentamos el módulo usando Vcc, lo conectamos a tierra usando GND y usamos nuestra Raspberry Pi para enviar una señal de entrada a TRIG, que activa el sensor para enviar un pulso ultrasónico. Las ondas de pulso rebotan en cualquier objeto cercano y algunas se reflejan en el sensor. El sensor detecta estas ondas de retorno y mide el tiempo entre el disparo y el pulso devuelto, y luego envía una señal de 5V en el pin ECHO.

ECHO será “bajo” (0V) hasta que el sensor se active cuando reciba el pulso de eco. Una vez que se ha localizado un pulso de retorno, el ECHO se establece en “alto” (5V) durante la duración de ese pulso. La duración del pulso es el tiempo completo entre el sensor que emite un pulso ultrasónico y el pulso de retorno que es detectado por el receptor del sensor. Por lo tanto, nuestro script de Python debe medir la duración del pulso y luego calcular la distancia desde este.

IMPORTANTE. La señal de salida del sensor (ECHO) en el HC-SR04 tiene una potencia de 5V. Sin embargo, el pin de entrada de la Raspberry Pi GPIO tiene una potencia nominal de 3,3 V. Enviar una señal de 5V a ese puerto de entrada de 3.3V desprotegido podría dañar sus pines GPIO, ¡que es algo que queremos evitar! Necesitaremos usar un circuito divisor de voltaje pequeño, que consta de dos resistencias, para reducir el voltaje de salida del sensor a algo que nuestra Raspberry Pi pueda manejar.

Divisores de voltaje

Un divisor de voltaje consta de dos resistencias (R1 y R2) en serie conectadas a un voltaje de entrada (Vin), que debe reducirse a nuestro voltaje de salida (Vout). En nuestro circuito, Vin será ECHO, que debe reducirse de 5V a nuestro Vout de 3.3V.

El siguiente circuito y la ecuación simple se pueden aplicar a muchas aplicaciones donde es necesario reducir un voltaje. Si no quiere aprender el bit técnico, simplemente tome 1 x 1kΩ y 1 x 2kΩ resistor.

Sin profundizar demasiado en el aspecto matemático, solo necesitamos calcular un valor de resistencia, ya que lo importante es la relación de división. Conocemos nuestro voltaje de entrada (5V) y nuestro voltaje de salida requerido (3.3V), y podemos usar cualquier combinación de resistencias para lograr la reducción. Resulta que tengo un montón de resistencias adicionales de 1kΩ, así que decidí usar una de estas en el circuito como R1.

Ensamblar el circuito

Usaremos cuatro pines en la Raspberry Pi para este proyecto:GPIO 5V [Pin 2]; Vcc (alimentación de 5 V), GPIO GND [Pin 6]; GND (tierra 0V), GPIO 23 [Pin 16]; TRIG (Salida GPIO) y GPIO 24 [Pin 18]; ECHO (entrada GPIO)

1. Conecte cuatro de sus cables de puente macho a hembra en los pines del HC-SR04 de la siguiente manera:Rojo; Vcc, azul; TRIG, amarillo; ECHO y Black; GND.

2. Enchufe Vcc en el riel positivo de su placa de pruebas y conecte GND en su riel negativo.

3. Enchufe GPIO 5V [Pin 2] en el riel positivo y GPIO GND [Pin 6] en el riel negativo.

4. Enchufe TRIG en un riel en blanco y enchufe ese riel en GPIO 23 [Pin 16]. (Puede conectar TRIG directamente a GPIO 23 si lo desea). ¡Personalmente, me gusta hacer todo en una placa de pruebas!

5. Enchufe ECHO en un riel en blanco, conecte otro riel en blanco usando R1 (resistencia de 1 kΩ)

6. Conecte su riel R1 con el riel GND usando R2 (resistencia de 2kΩ). Deje un espacio entre las dos resistencias.

7. Agregue GPIO 24 [Pin 18] al riel con su R1 (resistencia de 1kΩ). Este pin GPIO debe ubicarse entre R1 y R2

¡Eso es! ¡Nuestro sensor HC-SR04 está conectado a nuestra Raspberry Pi!

Detectar con Python

Ahora que hemos conectado nuestro sensor ultrasónico a nuestro Pi, ¡necesitamos programar un script de Python para detectar la distancia!

La salida del sensor ultrasónico (ECHO) siempre tendrá una salida baja (0 V) a menos que se haya activado, en cuyo caso generará 5 V (¡3,3 V con nuestro divisor de voltaje!). Por lo tanto, debemos configurar un pin GPIO como salida para activar el sensor y otro como entrada para detectar el cambio de voltaje ECHO.

Primero, importe la biblioteca Python GPIO, importe nuestra biblioteca de tiempo (para que hagamos que nuestro Pi espere entre los pasos) y configure nuestra numeración de pines GPIO.

importar RPi.GPIO como GPIO

tiempo de importación

GPIO.setmode (GPIO.BCM)

Para más detalles:Sensor de rango ultrasónico HC-SR04 en Raspberry Pi