Blog tự học lập trình: Cảm biến siêu âm HC-SR04

Tóm Tắt Nội Dung

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là gì?

Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một dạng cảm biến module. Cảm biến này thường chỉ là một bản mạch, hoạt động theo nguyên lý thu phát sóng siêu âm bởi 2 chiếc loa cao tần.

Cảm biến siêu âm HC-SR04 thường được kết hợp với các bộ arduino, PIC, AVR,… để chạy một số ứng dụng như : phát hiện vật cản trên xe robot, đo khoảng cách vật,…

Chính vì là một cảm biến siêu âm dạng module, cho nên hầu như ứng dụng hay độ chính xác của cảm biến đều phụ thuộc vào phần code mà người sử dụng lập trình và nạp vào bản mạch điều khiển.

Có thể bạn chưa biết : các loại cảm biến siêu âm

Cấu tạo cảm biến siêu âm HC-SR04

Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 gồm 3 phần:

Bộ phận phát sóng siêu âm

Cấu tạo của các đầu phát và đầu thu siêu âm là các loa gốm đặc biệt, phát siêu âm có cường độ cao ở tần số thường là 40kHz cho nhu cầu đo khoảng cách.

Về nguyên lý, các loa này cần có nguồn điện áp cao mới phát tốt được ( nhà sản xuất công bố = 30V). Trên mạch công suất sử dụng IC MAX232 làm nhiệm vụ đệm. IC này sẽ lấy tín hiệu từ bộ điều khiển, khuếch đại biên độ lên mức +/-30V cấp nguồn cho bộ loa trên. IC này sẽ được đóng ngắt qua một transistor để hạn chế việc tiêu thụ dòng.

Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ

Thiết bị thu là dạng loa gốm có cấu tạo chỉ nhạy với một tần số chẳng hạn như 40KHz. Qua một loạt các linh kiện như OPAM TL072, transistor NPN…Tín hiệu này liên tục được khuếch đại biên độ và cuối cùng là đưa qua một bộ so sánh, kết hợp với tín hiệu từ bộ điều khiển để đưa về bộ điều khiển.

Bộ phận xử lý, điều khiển tín hiệu

Vi điều khiển (PIC16F688, STC11,…) được sử dụng làm nhiệm vụ phát xung, xử lý tính toán thời gian từ khi phát đến khi thu được sóng siêu âm nếu nhận được tín hiệu TRIG.

Nguyên lý hoạt động cảm biến siêu âm HC-SR04

Để đo khoảng cách bằng cảm biến siêu âm HC-SR04, ta sẽ phát 1 xung rất ngắn (5 microSeconds) từ chân Trig. Tiếp theo, 1 xung HIGH ở chân Echo sẽ được cảm biến tạo ra và phát đi cho đến khi nhận lại được sóng phản xạ ở chân này. Lúc này, độ rộng của xung sẽ bằng với thời gian sóng siêu âm được phát từ cảm biến và phản xạ lại.

Trong không khí, tốc độ âm thanh đạt mức 340 m/s (hằng số), tương đương với 29,412 microSeconds/cm (10^6 / (340*100)).

** 1 microsecond =1.0 × 10-6 seconds

Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để ra giá trị khoảng cách.

Kích thước và sóng cảm biến siêu âm HC-SR04

Ví dụ đo mức chất lỏng có trong bồn chứa bằng cảm biến siêu âm HC-SR04:

Ta sẽ có các bước như sau:

Đặt chân TRIG lên mức Cao (5V) trong 10 μs (microseconds)
Sau đó module siêu âm ghi lại thời gian và gửi ra sóng âm tần số 40Khz
Sóng siêu âm truyền xuống bề mặt chất lỏng trong bồn chứa và phản xạ lại
Sóng phản xạ truyền ngược về đầu dò
Module siêu âm nhận được sóng phản xạ và đánh dấu thời gian nhận được tín hiệu này

Cuối cùng, module siêu âm đưa chân ECHO lên mức cao trong khoảng thời gian (microseconds ) phản hồi sóng âm (Gửi đi – nhận về) và tính toán ra khoảng cách.

Kết quả trên chân ECHO: 58 μs/cm

Vì vậy, nếu chân ECHO lên mức cao trong thời gian 5800 μs (5.8 ms) , thì chúng ta tính được khoảng cách giữa cảm biến và mức chất lỏng trong bể là:

5800μs / 58μs/cm = 100cm = 1m

Thông số kỹ thuật cảm biến siêu âm HC-SR04

Trước khi đi vào tìm hiểu các phần tiếp theo của dòng cảm biến này, chúng ta cùng điểm qua một vài thông số kỹ thuật nổi bật của cảm biến siêu âm HC-SR04 như sau:

Model: HC-SR04
Điện áp làm việc: 5VDC
Dòng điện: 15mA
Tần số: 40 KHZ
Khoảng cách phát hiện: 2cm – 4m
Tín hiệu đầu ra: Xung mức cao 5V, mức thấp 0V
Góc cảm biến: Không quá 15 độ.
Độ chính xác cao: Lên đến 3mm
Chế độ kết nối: VCC / Trig (T-Trigger) / Echo (R-Receive) / GND

Sơ đồ kết nối cảm biến siêu âm HC-SR04 với arduino

Chúng ta tham khảo qua một số sơ đồ kết nối cơ bản khi kết hợp module cảm biến siêu âm HC-SR04 với các bộ kit arduino như hình thể hiện bên dưới.

Module cảm biến có 4 chân:

Chân VCC: Dùng để cấp nguồn 5v
Chân Trig: Chân digital output
Chân Echo: Chân digital input
Chân GND: Chân 0v

Phần code nạp chương trình tham khảo

const int trig = 8;     // chân trig của HC-SR04
const int echo = 7;     // chân echo của HC-SR04

void setup()
{
    Serial.begin(9600);     // giao tiếp Serial với baudrate 9600
    pinMode(trig,OUTPUT);   // chân trig sẽ phát tín hiệu
    pinMode(echo,INPUT);    // chân echo sẽ nhận tín hiệu
}

void loop()
{
    unsigned long duration; // biến đo thời gian
    int distance;           // biến lưu khoảng cách

    /* Phát xung từ chân trig */
    digitalWrite(trig,0);   // tắt chân trig
    delayMicroseconds(2);
    digitalWrite(trig,1);   // phát xung từ chân trig
    delayMicroseconds(5);   // xung có độ dài 5 microSeconds
    digitalWrite(trig,0);   // tắt chân trig

    /* Tính toán thời gian */
    // Đo độ rộng xung HIGH ở chân echo.
    duration = pulseIn(echo,HIGH); 
    // Tính khoảng cách đến vật.
    distance = int(duration/2/29.412);

    /* In kết quả ra Serial Monitor */
    Serial.print(distance);
    Serial.println("cm");
    delay(200);
}

Ưu nhược điểm của module cảm biến siêu âm HC-SR04

Ưu điểm

Nhỏ gọn
Giá thành rẻ
Dễ tìm mua
Dễ dàng lắp đặt, kết hợp với các bộ kit arduino
Phát sóng siêu âm, có độ chính xác cao
Phạm vi đo rộng 2-400cm
Được hỗ trợ phần code nhiều từ cộng đồng arduino

Nhược điểm

Hiệu suất làm việc liên tục không cao
Không thích hợp sử dụng trong môi trường công nghiệp
Dễ bị nhiễu tác động
Độ nhạy và dải đo phụ thuộc vào code nạp
https://wokwi.com/projects/377910366347889665

GIỚI THIỆU

Thứ Sáu, 6 tháng 10, 2023

Cảm biến siêu âm HC-SR04