HC-SR04 - Ultrasonic Sensor (Ultraschallsensor)

Der Ultraschall-Sensor vom Typ HC-SR04 eignet sich zum Messen von Entfernungen und Abstände zu anderen Objekten. Dazu muss ein Ultraschall-Signal ausgesendet und dessen Echo empfangen werden. Um eine Entfernung zu dem Objekt messen zu können, muss die Signallaufzeit gemessen und daraus die Entfernung berechnet werden.

Das Ultraschall-Modul kümmert sich um das Erzeugen und Empfangen des Ultraschall-Signals. Dazu muss eine Schaltung oder ein Programm über den Trigger-Pin des Moduls eine Messung anstoßen und erhält am Echo-Pin des Moduls ein Signal zurück, wenn das Ultraschall-Signal zurückgeworfen wurde. Das Programm muss die Zeit messen und daraus die Entfernung berechnen.

• Betriebsspannung (VCC): In der Regel beträgt VCC zwischen +3,0 und +5,5 Volt.
• Masse (GND): Bezugspunkt für die Betriebsspannung und die Signal-Leitungen.
• Trigger-Eingang (TRIG): Der Trigger-Eingang muss auf einen GPIO-Ausgang des Mikrocontrollers geschaltet werden.
• Echo-Ausgang (ECHO): Der Echo-Ausgang muss auf einen GPIO-Eingang des Mikrocontrollers geschaltet werden.

Hinweis: Wenn man einen Sensor-Typ HC-SR04 hat, der nur TTL-kompatibel ist, dann darf dessen Echo-Ausgang nicht einfach so auf einen GPIO-Eingang des Raspberry Pi oder Raspberry Pi Pico geschaltet werden. Zwischen dem Echo-Ausgang des Sensors und dem GPIO-Eingang muss ein Spannungsteiler geschaltet sein.

Der Abstand oder die Entfernung zu einem Objekt lässt sich durch die Schallgeschwindigkeit in der Luft bestimmen. Dafür sind am Besten Frequenzen über 20 kHz geeignet, weil die für das menschliche Ohr unhörbar sind und die Messung auf kurzen Distanzen ziemlich genau ist.

Funktional wird Ultraschallsignal vom Sensor ausgegeben. Das Signal trifft auf ein Ziel und wird teilweise reflektiert. Dieses Echo kommt zum Sensor zurück. Durch Messen, wie viel Zeit zwischen dem Senden und Empfangen der Schallwellen vergangen ist, kann der Abstand zwischen dem Sensor und dem Objekt berechnet werden.

Die Rechnung ist einfach:

Die Zeit muss durch ein steuerndes Gerät per Software ermittelt werden. Die Schallgeschwindigkeit beträgt 343 m/s bzw. 0,0343 cm/μs bei 20°C Lufttemperatur. Das Teilen durch 2 ist deshalb notwendig, weil die ermittelte Zeit den Hin- und Rückweg des Schalls umfasst und wir nur die einfache Strecke wissen wollen.

Leider ist die Schallgeschwindigkeit temperaturabhängig. Ob das im konkreten Anwendungsfall ein Problem darstellt, hängt davon ab, wie viel die aktuelle Temperatur von 20°C abweicht.

• Abstandsmessung mit Ultraschallsensor (HC-SR04)