Cảm biến siêu âm HC-SR04 hay module cảm biến đo khoảng cách HC-SR04 bằng sóng siêu âm là một module arduino nhỏ gọn, rất thích hợp cho chúng ta tìm hiểu nghiên cứu về hoạt động và nguyên lý của dòng cảm biến siêu âm.
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 (106 / (340*100)).
Khi đã tính được thời gian, ta sẽ chia cho 29,412 để ra giá trị khoảng cách.
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
Về phần code nạp vào mạch, các bạn có thể tham khảo từ nhiều nguồn chia sẻ trên internet như: arduino.vn, forum.arduino.cc, cộng đồng Arduino Việt Nam trên Facebook tại địa chỉ: www.facebook.com/Arduino.Vietnam … Để học hỏi và chia sẻ thêm kinh nghiệm về phần cứng cũng như phần mềm dành cho module cảm biến siêu âm HC-SR04
Bên dưới là một đoạn code phổ biến của model HC-SR04 dùng cho ứng dụng đo khoảng cách mà các bạn có thể 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 960
- 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
Ứng dụng cảm biến siêu âm HC-SR04
Với các module cảm biến siêu âm HC-SR04 được ứng dụng nhiều nhất trong các bài toán đo khoảng cách vật từ xa. Phạm vi đo ngắn, trong khoảng 2-400cm mà thôi.
Một số ứng dụng khác cũng hay dùng module cảm biến siêu âm HC-SR04 mà chúng ta thường thấy như:
- Dùng đo mức chất lỏng trong chai, hộp sữa,…
- Dùng phát hiện vật cản trên đường đi của robot…
Cảm biến siêu âm HC-SR04 có rẻ không? Mua ở đâu?
Các model cảm biến siêu âm HC-SR04 hiện nay có bán tại rất nhiều cửa hàng chuyên về linh kiện điện tử. Nếu ở HCM, các bạn có thể ghé qua chợ điện tử Nhật tảo để tìm mua. Hoặc tham khảo ở các website bán linh kiện online qua từ khoá “cảm biến siêu âm HC-SR04” để tìm được của hàng bán giá tốt và có chính sách ship hàng đến vị trí của bạn.
Về giá cả của các module cảm biến siêu âm HC-SR04 có giá rất rẻ luôn. Mình có dạo qua một vài website chuyên cung cấp linh kiện thì thấy giá dao động trong khoảng từ 20-70 ngàn/bộ mà thôi.
Qua bài viết này, hy vọng sẽ cung cấp đầy đủ kiến thức về dòng module cảm biến siêu âm HC-SR04 đến các bạn sinh viên hay kỹ thuật đang nghiên cứu về arduino.
Mọi thắc mắc hay góp ý bổ sung cho bài viết, các bạn liên hệ với Huphaco theo thông tin bên dưới nhé!
Xem thêm : ứng dụng cảm biến siêu âm công nghiệp
