HC-SR04 Сонар

HC-SR04: Классический сонар

HC-SR04 — это “Hello World” в мире датчиков расстояния. Он состоит из двух пьезоизлучателей: один работает как динамик (T), другой как микрофон (R).

1. Sensing: Характеристики

Диапазон: 2 см – 400 см (реально стабильно до 2-3 метров).
Точность: ~3 мм.
Угол обзора: ~15 градусов.
Питание: 5V (есть версии на 3.3V, например HC-SR04P, но классический требует 5V).
Частота: 40 кГц.

Протокол работы

Подаем импульс HIGH длительностью 10 мкс на пин Trig.
Датчик сам посылает пачку из 8 импульсов по 40 кГц.
Пин Echo становится HIGH в момент отправки и переходит в LOW, когда вернулось эхо.
Длительность импульса на Echo пропорциональна расстоянию.

2. Подключение

Pin	Назначение	Arduino
VCC	Питание	5V
Trig	Запуск (Trigger)	Любой цифровой (напр. D9)
Echo	Эхо (Output)	Любой цифровой (напр. D10)
GND	Земля	GND

Внимание: Если вы используете ESP32 или Raspberry Pi (3.3V логика), пин Echo выдает 5V! Нужно использовать делитель напряжения (резисторы 1кОм и 2кОм), чтобы не сжечь вход контроллера.

3. Thinking: Программная реализация

Способ 1: Ручное управление (функция `pulseIn`)

#define TRIG_PIN 9
#define ECHO_PIN 10

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
}

void loop() {
  // 1. Сброс Trig
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  
  // 2. Импульс 10 мкс
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  
  // 3. Измерение длительности Echo (в микросекундах)
  // pulseIn ждет, пока пин станет HIGH, считает время, пока он HIGH
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);
  
  // 4. Расчет дистанции
  // Скорость звука = 343 м/с = 0.0343 см/мкс
  // Путь туда-обратно, поэтому делим на 2
  int distance = duration * 0.0343 / 2;
  
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");
  
  delay(100); // Не опрашивайте чаще 60мс, чтобы эхо затухло!
}

Способ 2: Библиотека NewPing

Библиотека NewPing (автор Tim Eckel) работает быстрее, точнее и не блокирует код так сильно, как pulseIn.

Установка: Sketch -> Include Library -> Manage Libraries -> NewPing.

#include <NewPing.h>

#define TRIG_PIN 9
#define ECHO_PIN 10
#define MAX_DISTANCE 200 // Максимальная дистанция (см)

NewPing sonar(TRIG_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  delay(50); // Задержка между пингами (минимум 29мс)
  
  unsigned int uS = sonar.ping(); // Время в микросекундах
  
  Serial.print("Ping: ");
  Serial.print(uS / US_ROUNDTRIP_CM); // Конвертация в см
  Serial.println(" cm");
}

4. Acting: Применение

Робот-пылесос: Обнаружение стен и мебели.
Парктроник: Звуковая индикация приближения к препятствию.
Уровень жидкости: Измерение уровня воды в баке (датчик в крышке, смотрит вниз).
Охранная система: Если расстояние изменилось (кто-то прошел), поднять тревогу.

Фильтрация

Показания могут “скакать”. Используйте медианный фильтр (в NewPing есть метод ping_median(iterations)).

// Получить медиану из 5 измерений (отсекает случайные выбросы)
unsigned int uS = sonar.ping_median(5);
int cm = sonar.convert_cm(uS);