Kiến thức điện
Tìm hiểu cấu tạo, nguyên lý và ứng dụng của cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm HC-SR04, còn được gọi là module cảm biến đo khoảng cách HC-SR04, là một module arduino nhỏ gọn được sử dụng để nghiên cứu và thực hiện các ứng dụng liên quan đến cảm biến siêu âm. Cùng Dubai Electric tìm hiểu về cảm biến siêu âm HC-Sr04 là gì? cấu tạo, nguyên lý hoạt động và ứng dụng nhé!
Cảm biến siêu âm HC-SR04 là gì?
Cảm biến siêu âm HC-SR04 là một loại module cảm biến. Nó thường được thiết kế dưới dạng mạch, hoạt động dựa trên nguyên lý phát và thu sóng siêu âm bằng hai loa cao tần.
Thường thì cảm biến siêu âm HC-SR04 được kết hợp với các bo mạch arduino, PIC, AVR,… để thực hiện một số ứng dụng như phát hiện vật cản trên xe robot, đo khoảng cách vật, và nhiều ứng dụng khác.
Vì nó là một module cảm biến siêu âm, hiệu suất và độ chính xác của cảm biến phụ thuộc vào phần mã code mà người sử dụng lập trình và nạp vào bo mạch điều khiển.
Thông số kỹ thuật của 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 quan trọng 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: Từ 2cm đến 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 chân HC-SR04
| Số chân | Tên chân | Mô tả |
| 1 | Vcc | Chân Vcc cấp nguồn cho cảm biến, thường là + 5V |
| 2 | Trigger | Chân trigger là chân đầu vào. Chân này phải được giữ ở mức cao trong 10us để khởi tạo phép đo bằng cách gửi sóng siêu âm. |
| 3 | Echo | Chân Echo là chân đầu ra. Chân này tăng cao trong một khoảng thời gian bằng với thời gian để sóng siêu âm quay trở lại cảm biến. |
| 4 | Ground | Chân này được nối đất |
Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04
Cấu tạo của cảm biến siêu âm HC-SR04 bao gồm ba phần chính:
- Bộ phận phát sóng siêu âm: Bao gồm các loa gốm đặc biệt để phát sóng siêu âm với tần số quan trọng thường là 40kHz để đo khoảng cách.
- Bộ phận thu sóng siêu âm phản xạ: Bao gồm loa gốm chỉ nhạy với một tần số quan trọng như 40kHz. Tín hiệu sóng siêu âm phản xạ được khuếch đại và xử lý để đưa về bo mạch điều khiển.
- Bộ phận xử lý và điều khiển tín hiệu: Sử dụng vi điều khiển như PIC16F688, STC11,… để phát xung và tính toán thời gian từ khi phát đến khi nhận được sóng siêu âm phản xạ. Sau đó, khoảng cách được tính toán dựa trên thời gian đo được.
Nguyên lý cảm biến siêu âm HC-SR04
Để đo khoảng cách, quy trình sẽ bắt đầu bằng việc phát ra một xung ngắn đến cảm biến từ chân Trig trong khoảng thời gian 5 microgiây (µs). Cảm biến sau đó sẽ tạo ra một xung HIGH ở chân Echo cho đến khi nhận được sóng âm phản xạ từ vật cần đo. Thời gian của xung sẽ tương đương với thời gian sóng siêu âm được phát ra và quay trở lại cảm biến.
Tốc độ truyền âm thanh trong không khí là 340 m/s (giá trị hằng số vật lý), tương đương với 29,412 microgiây/cm (106 / (340 * 100)). Sau khi đã xác định thời gian, ta có thể tính khoảng cách bằng cách chia thời gian đó cho 29,412.
Phần mã code tham khảo
Để có thêm thông tin và chia sẻ kinh nghiệm về phần cứng và phần mềm của module cảm biến siêu âm HC-SR04, 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. Dưới đây là một đoạn mã code phổ biến cho model HC-SR04, được sử dụng để đo khoảng cách, mà 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)
- }
Cách sử dụng cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến khoảng cách HC-SR04 thường được sử dụng với nền tảng vi điều khiển và vi xử lý như Arduino, ARM, PIC, Raspberry Pi, v.v. Hướng dẫn sau đây áp dụng cho bất kỳ loại thiết bị tính toán nào được sử dụng.
Để cấp nguồn cho cảm biến, kết nối nguồn +5V thông qua các chân nối đất và Vcc của cảm biến. Dòng điện tiêu thụ bởi cảm biến thấp hơn 15mA, do đó có thể được cấp nguồn trực tiếp từ các chân 5V trên bo mạch (nếu có). Các chân Trigger và Echo đều là chân I/O, vì vậy chúng có thể được kết nối với các chân I/O của vi điều khiển. Để bắt đầu quá trình đo, chân Trigger phải được đặt ở mức cao trong 10µs và sau đó được tắt. Thao tác này sẽ kích hoạt một sóng siêu âm ở tần số 40Hz từ bộ phát, và bộ thu sẽ chờ đợi sóng phản xạ trở lại. Khi sóng phản xạ trở lại sau khi va chạm với một vật thể, chân Echo sẽ chuyển sang mức cao trong một khoảng thời gian cụ thể tương ứng với thời gian mà sóng đi và trở lại cảm biến.
Vi xử lý hoặc vi điều khiển sẽ đo thời gian mà chân Echo duy trì mức cao, vì nó cung cấp thông tin về thời gian mà sóng đi và trở lại cảm biến. Dựa trên thông tin này, khoảng cách có thể được tính toán.
Ứng dụng cảm biến siêu âm HC-SR04
Cảm biến siêu âm HC-SR04 được sử dụng rộng rãi trong các bài toán đo khoảng cách vật từ xa. Phạm vi đo của nó thường từ 2-400cm. Ngoài ra, chúng ta cũng thường thấy một số ứng dụng khác của module cảm biến siêu âm HC-SR04 như:
- Đo mức chất lỏng trong chai, hộp sữa và các đối tượng tương tự.
- Phát hiện vật cản trên đường đi của robot.
- Đo khoảng cách trong các ứng dụng đo lường và kiểm tra tự động.
- Điều khiển tự động các thiết bị dựa trên khoảng cách, ví dụ: cửa tự động, thang máy.
- Đo khoảng cách trong hệ thống an ninh và bảo mật, ví dụ: cảnh báo khi có vật thể xâm nhập vào khu vực cấm.
- Ứng dụng trong robotica, điều khiển robot di chuyển và tránh vật cản.
- Đo khoảng cách trong các ứng dụng định vị, định hướng và đo vị trí.
- Sử dụng trong các dự án điện tử sáng tạo, ví dụ: làm mô hình radar, robot tự lái mini.
Module cảm biến siêu âm HC-SR04 mang lại nhiều tiện ích và ứng dụng đa dạng trong nhiều lĩnh vực khác nhau.
Xem thêm:
- Cảm biến mực nước là gì? Phân loại và phạm vi sử dụng
- Cảm biến radar là gì? Nguyên lý cấu tạo và đặc điểm của cảm biến Radar
- Cảm biến nhiệt độ là gì? Cấu tạo, nguyên lý hoạt động và các loại cảm biến nhiệt độ
