Raspberry Pi Pico: Abstandsmessung mit Ultraschallsensor HC-SR04 auf einem 1602-Display anzeigen

Ein Ultraschallsensor ist ein Abstands- und Entfernungsmesser auf Basis von Ultraschall. Ultraschallsensoren sind oft in den Stoßstangen von Autos eingebaut, um die nahende Gefahr eines Zusammenstoßes mit anderen Fahrzeugen oder Objekten per Piepton anzuzeigen.
In diesem Aufbau verwenden wir einen Ultraschallsensor vom Typ HC-SR04, um den Abstand vor dem Sensor zu messen und auf einem LCD-1602-Display anzuzeigen.
Die Grundlagen der Abstandsmessung mit diesem Ultraschallsensor solltest Du grob verstanden haben.

Dreh- und Angelpunkt der Software-seitigen Ansteuerung des LCD-1602-Displays mit der I2C-Schnittstelle sind zwei Python-Bibliotheken. Eine für den I2C und das andere für das Display selber.
Wenn das Deine ersten Versuche mit einem HD44780-kompatiblen LCD mit I2C-Modul sind, dann solltest Du Dich zuerst über die Besonderheiten des Displays informieren.

Aufbau und Bauteile

Raspberry Pi Pico: Abstandsmessung mit Ultraschallsensor (HC-SR04) auf einem Display anzeigen (LCD-1602 mit I2C)

Raspberry Pi Pico HC-SR04
Pin 36 3V3 OUT VCC
Pin 38 GND GND
Pin 22 GPIO 17 Echo
Pin 21 GPIO 16 Trigger
Raspberry Pi Pico LCD (I2C)
Pin 40 VBUS, +5,0V VCC
Pin 38 GND GND
Pin 27 GPIO 21 I2C0 SCL SCL
Pin 26 GPIO 20 I2C0 SDA SDA

Es gibt sehr viele unterschiedliche HC-SR04-Typen mit ähnlichen Typenbezeichnungen, aber unterschiedlichen elektrischen Parametern.
Normalerweise wird man einen Sensor vom Typ HC-SR04 verwenden. Der ist in der Regel nur TTL-kompatibel und somit nur an Arduinos ohne zusätzliche Schaltungsmaßnahmen einsetzbar.
Für den Einsatz mit Raspberry Pi und Raspberry Pi Pico, die mit +3,3-Volt-Signalen arbeiten, eignet sich der Sensor vom Typ HC-SR04P (mit P) besser. Es gibt aber auch einen HC-SR04-Typ, der wahlweise für 3,3 Volt und 5 Volt geeignet ist.

Programmcode

Im Programmcode wird ein GPIO-Ausgang für das Trigger-Signal zum Sensor und ein GPIO-Eingang für das Echo-Signal vom Sensor initialisiert. Außerdem wird die Ansteuerung des Displays mit der I2C-Schnittstelle initialisiert.

In einer Endlos-Schleife die Signallaufzeit gemessen. Innerhalb der Schleife wird aus der Startzeit und Endzeit die Differenz berechnet und mit der Schallgeschwindigkeit multipliziert. Am Ende der Schleife wird der Abstand auf dem Display ausgegeben.

# Bibliotheken laden
from time import sleep, sleep_us, ticks_us
from machine import I2C, Pin, Timer
from machine_i2c_lcd import I2cLcd

# Initialisierung GPIO-Ausgang für Trigger-Signal
trigger = Pin(16, Pin.OUT)

# Initialisierung GPIO-Eingang für Echo-Signal
echo = Pin(17, Pin.IN)

# Initialisierung I2C
i2c = I2C(0, sda=Pin(20), scl=Pin(21), freq=100000)

# Initialisierung LCD über I2C
lcd = I2cLcd(i2c, 0x27, 2, 16)

# Wiederholung (Endlos-Schleife)
while True:
    # Abstand messen
    trigger.low()
    sleep_us(2)
    trigger.high()
    sleep_us(5)
    trigger.low()
    # Zeiten messen
    while echo.value() == 0:
       signaloff = ticks_us()
    while echo.value() == 1:         
       signalon = ticks_us()
    # Vergangene Zeit ermitteln
    timepassed = signalon - signaloff
    # Abstand/Entfernung ermitteln
    # Entfernung über die Schallgeschwindigkeit (34320 cm/s bei 20 °C) berechnen
    # Durch 2 teilen, wegen Hin- und Rückweg
    abstand = timepassed * 0.03432 / 2
    # Ergebnis auf Display ausgeben
    lcd.clear()
    lcd.move_to(0,0)
    lcd.putstr('Abstand:' + "\n" + str("%.2f" % abstand) + ' cm')
    # 2 Sekunde warten
    sleep(2)

Darf es ein bisschen mehr sein?

Displays dienen zur Anzeige von Informationen. Dazu muss das Display eingeschaltet sein. Sinnvoll ist das aber nur, wenn sich tatsächlich jemand vor dem Display befindet. In dieser Lösung verwenden wir einen Ultraschallsensor vom Typ HC-SR04 für die Anwesenheitserkennung.

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