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Circuito con sensor de distancia

Arduino y los sensores de distancia
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Objetivos

 

 

    • Sensor ultrasónico de distancia.
    • Más sobre medir el tiempo: delayMicroseconds ().
    • Más funciones disponibles: PulseIn ().
    • Importando una librería externa.
 

Material requerido.

Imagen de Arduino UNO Arduino Uno o similar.

  • Esta sesión acepta cualquier otro modelo de Arduino.

 

Protoboard conexionesUna Protoboard mas  cables.
Ping range finderSensor de distancia HC-SR04
componentecomponenteUn diodo LED y una resistencia.

 

Como funciona un sensor ultrasónicode distancia

 

Hemos visto, en los documentales, que los murciélagos son capaces de volar en completa oscuridad y sin embargo, sortear obstáculos o atrapar insectos en vuelo. Sabemos que lo hacen, pero rara vez pensamos como.

Tenemos una vaga idea de que se llama ecolocalización y que más o menos tiene que ver con unos sonidos agudos que emiten y que después recogen con esas enormes orejas que Dios les ha dado, pero rara vez nos planteamos cómo es esto posible.

Delfines y ballenas utilizan un sistema similar para atrapar a sus presas, y hasta hemos visto que, en cualquier película de submarinos, en el momento álgido el capitán ordena emitir un pulso único de sonar para localizar al enemigo.

El concepto básico, es siempre el mismo, sabiendo a qué velocidad viaja el sonido, si emitimos un pulso sónico corto y escuchamos cuanto tiempo tarda en regresar el eco podemos calcular la distancia a la que se encuentra el objeto en el que ha rebotado la señal.

 
  • El radar funciona de modo similar aunque usando ondas de radio frecuencia muy cortasy con una problemática propia descomunal. Un pulso de radiofrecuencia se emite desde la antena y se recoge el eco que vuelve a la velocidad de la luz.
 

Lo que haremos en esta sesión es utilizar un sensor de distancia sencillo HC-SR04 (y muy parecido a los sensores de aparcamiento de los coches modernos), que nos permite enviar estos pulsos ultrasónicos y escuchar el eco de retorno. Midiendo este tiempo, podemos calcular la distancia hasta el obstáculo.

 
  • El oído humano no percibe sonidos por encima de 20kHz. Por eso, a las ondas de mayor frecuencia las llamamos ultrasonidos ( mas allá del sonido).  Los sensores de ultrasonidos funcionan sobre los 40 kHz.
  • No son perfectos, les influye la temperatura ambiente, la humedad y los materiales en los que reflejan, lo que genera una cierta incertidumbre. Pero a cambio son baratos y efectivos hasta un poco más de 3 metros en condiciones normales si la precisión no es un problema determinante
 

 

Diagrama de conexión

 

Veamos como conectar uno de esto detectores a nuestros Duinos. Aquí está el esquema eléctrico y de protoboard por cortesía de Fritzing:

Esquema

Y de nuevo, el diagrama de conexión de la protoboard

Protoboard

El Programa de control

 

Vamos con el programa, empezamos definiendo algunos valores:

#define trigPin 13
#define echoPin 12
#define led 2

Hasta ahora habíamos visto que podíamos definir una variable como int, por ejemplo, y también como una constante (const int pin). Aquí utilizamos otro método, el #define que es una directiva para el compilador.

Esto solo significa que el compilador (en rigor el pre procesador) cambiará todas las ocurrencias de estos #define en nuestro programa por su valor antes de compilar. Esta es la forma clásica de C de hacer esto y tiene la virtud de que no ocupa memoria definiendo una variable (y con un Arduino UNO, que va muy corto de memoria, esto puede ser crítico en ocasiones).

void setup()
   {    
       Serial.begin (9600);
       pinMode(trigPin, OUTPUT);
       pinMode(echoPin, INPUT);
       pinMode(led, OUTPUT);
   }

Ya estamos más que habituados a la función delay(milis), pero el reloj interno de Arduino mide en microsegundos y tenemos otra función parecida delayMicroseconds(µs) que simplemente congela Arduino el número especificado de microsegundos.

Para dar un pulso ultrasónico lo que hacemos es activar el pin Trigger durante unos microsegundos y para ello lo ponemos en HIGH, antes de escuchar el eco:

digitalWrite(trigPin, LOW);     // Nos aseguramos de que el trigger está desactivado
delayMicroseconds(2);           // Para estar seguros de que el trigger ya está LOW
digitalWrite(trigPin, HIGH);    // Activamos el pulso de salida
delayMicroseconds(10);          // Esperamos 10µs. El pulso sigue active este tiempo
digitalWrite(trigPin, LOW);     // Cortamos el pulso y a esperar el echo

Para escuchar el pulso vamos a usar otra función, pulseIn() ( Oh sí, hay muchas, muchísimas). Para leer el manual de pulseIn()  buscad en google Arduino pulseIn y vereis que pronto lo encontrais.

Básicamente lo que hace es escuchar el pin que le pasamos, buscando una señal que pase de LOW a HIGH ( si le pasamos HIGH como parámetro) y cuenta el tiempo que tarda en volver a bajar desde que sube.

long duracion, distancia ;
duracion = pulseIn(echoPin, HIGH) ;

Ahora ya sabemos el tiempo que tarda en volver el eco en µs. Como la velocidad del sonido es de 343 metros / segundo, Necesitamos 1/343 = 0,00291 segundos para recorrer un metro.

Para usar una medida más cómoda podemos pasar esto  a microsegundos por centímetro:

formula velocidad sonido

Como nuestro eco mide el tiempo que tarda el pulso en ir y venir la distancia recorrida será la mitad:

formula distancia sonido

Así que el programa queda parecido a esto ( Prog_18_1) : Descargar ejemplo 18_1:

     #define trigPin 13
     #define echoPin 12
     #define led 2

     void setup()
        {   Serial.begin (9600);
            pinMode(trigPin, OUTPUT);
            pinMode(echoPin, INPUT); 
            pinMode(led, OUTPUT);
        }

     void loop()
        {   long duracion, distancia ;
            digitalWrite(trigPin, LOW);        // Nos aseguramos de que el trigger está desactivado
            delayMicroseconds(2);              // Para asegurarnos de que el trigger esta LOW
            digitalWrite(trigPin, HIGH);       // Activamos el pulso de salida
            delayMicroseconds(10);             // Esperamos 10µs. El pulso sigue active este tiempo
            digitalWrite(trigPin, LOW);        // Cortamos el pulso y a esperar el echo
            duracion = pulseIn(echoPin, HIGH) ;
            distancia = duracion / 2 / 29.1  ;
            Serial.println(String(distancia) + " cm.") ;
            int Limite = 200 ;                  // Medida en vacío del sensor
            if ( distancia < Limite)
                 digitalWrite ( led , HIGH) ;
            else
                 digitalWrite( led , LOW) ;
            delay (500) ;                  // Para limitar el número de mediciones
        }

Para convertir esto en un detector de movimiento hemos creado  una variable un poco menor de la medida que el sensor recibe en vacio (en mi caso unos 200 cm). Si la distancia medida cae por debajo este valor es que algo se ha interpuesto y por tanto encendemos una alarma, en nuestro caso un humilde LED.

Después de este ejercicio de física y matemáticas, que sin duda causará furor entre los estudiantes aplicados, vamos a hacer el mismo programa pero usando una librería externa, que alguien se ha molestado en escribir, paras esas pocas personas que no disfrutan de los problemas de ciencias y que así, podamos ver la diferencia.

Podeís descargar la librería de aquí, Descargar, o bien de la web del autor en  code.google.com/p/arduino-new-ping.

Para instalar una librería externa no incluida en el IDE de Arduino tenemos que importarla con el menú Programa \ Importar librería\Añadir librería:

Captura menu

En la ventana que sale, buscad el fichero NewPing_v1.5.zip que habéis descargado y seleccionadlo.

Ya está. Arduino ha importado la librería y los ejemplos que incluye. Si ahora volvéis a Programa\ImportarLibrería, veréis que al final de la lista ya está disponible como NewPing, y además el zip incluye varios ejemplos de uso. Vamos a cargar el equivalente del programa anterior. Haced :

Archivo \ Ejemplos \ NewPing \ NewPingExample

 Arduino cargara un programa de ejemplo. Las instrucciones claves son primero inicializar la librería con:

NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE) ;

Y después medir la distancia:

unsigned int uS = sonar.ping() ;

Aqui os copio el ejemplo para vuestra referencia:

     #include <NewPing.h>

     #define TRIGGER_PIN 12 // Arduino pin tied to trigger pin on the ultrasonic sensor.    
     #define ECHO_PIN 11    // Arduino pin tied to echo pin on the ultrasonic sensor.
     #define MAX_DISTANCE 200 
     
     NewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); // NewPing setup of pins and maximum distance
 
     void setup() 
        {
           Serial.begin(115200); // Open serial monitor at 115200 baud to see ping results.
        }
 
     void loop()
       {
           delay(50); 
           unsigned int uS = sonar.ping(); // Send ping, get ping time in microseconds (uS)
           Serial.print("Ping: ");
           Serial.print(uS / US_ROUNDTRIP_CM); 
           Serial.println("cm");
       }

Como veis la librería se encarga de inicializar los pines necesarios, enviar los pulsos, escuchar el eco de retorno  y de hacer los cálculos. No está mal.

 
  • Fijaros, que el ejemplo, utiliza diferentes pines a los que nosotros hemos usado,así que tendreís que modificarlos. Igualmente, el ejemplo inicializa la puerta serie a 115.200. Es imprescindible igualar esta velocidad con la que recibe la consola o veréis muchas cosas raras en pantalla.
  • Los alumnos avispados se habrán dado cuenta de que Arduino viene forrado de ejemplos que pueden cargar y usar. Os invito a que investiguéis y juguéis con estos ejemplos  cuanto queráis.
 

Resumen de la sesión

 

 
    • Hemos conocido los sensores ultrasónicos de distancia.
      • Sabemos que sirven para medir algo menos de 3 0 4 metros
      • Sabemos que no son perfectos pero son útiles y baratos.
    • Más sobre medir el tiempo: delayMicroseconds ().
    • Más funciones disponibles: PulseIn ().
    • Importando una librería externa, de nuevo,algo que en las próximas sesiones iremos haciendo cada vez más, a medida que los elementos a usar se vayan sofisticando.

 

 

 

 

 

 

 

(67) Comments

    • Reinaldo

    Hola,

    realice el esquema y programa tal cual como indicas y me dice en el monitor serial el valor 0 cm, 0 cm, todo el rato, y eso que lo tengo apuntado al techo y la distancia no es menor a lo indicado, que podria ser? como puedo probar de manera simple que el sensor esta bueno y asi descartarlo?

    saludos,

    • Hola Reinaldo, El sensor funciona correctamente. Parece que este tipo de sensor si tiene algo demasiado lejos lo interpreta como 0 ya que no recibe la respuesta de la onda. Si lo que quieres es hacer por ejemplo un detector de obstáculos, para que esquivarlos con un robot por ejemplo, lo que puedes hacer es incluir un !=0 en el if donde detectes la distancia mínima. Un saludo.

  • Hola,

    Quiero saber el nivel de un pozo de agua. Este sensor mide bien las distancias con el agua?

    Y si el pozo es más alto que los 3.6 metros que mide el sensor… Existe otro sensor que mida mayores distancias?

    Saludos y gracias!

  • Hola. ¿Como podría hacer para que el valor limite lo fije el mismo sensor en la primera medida?

    • No se si te entiendo cano. EL sensor tiene un limite de unos 3.6 metros

  • Hola. Como podría armar el programa para que el mismo arduino adopte el valor tomado por el sensor en su primera medición de forma tal que al variar este valor se active el pulso y me encienda un led?

    • Hola Francisco, me imagina que quieres notar las variaciones de la posicion a partir de un punto dado.

      Si es asi, en el setup que solo s eejecuta al arrancar, pon una funcion que lee durante digamos 3 segundos las distancias y cuando tengas claro que la medida es estable, ya puedes salir sabiendo la distancia que tienes y lo asocias a una variable global que luego puedes usar en el loop para comprobar si la lectura sigue siendo la misma

  • Buenas tardes, ¿Como podria hacer que un sensor ultrasonico funcione como alarma?
    la idea seria que cuando detecte una distancia menos de 2 metros este haga encender un led
    ¿alguna idea de como podria realizar el codigo?

    • Hola Carlos, Nada mas sencillo. Basta con que sigas el ejemplo de la pagina y cuando leas una distancia inferior a los 2 m que menciones leantas la tension en un pin cualquiera al que has conectado un led. Empieza probando con el pin 13 que ya tiene el LED conectado en tu arduiino

      • Hola,

        Quiero saber el nivel de un pozo de agua. Este sensor mide bien las distancias con el agua?

        Y si el pozo es más alto que los 3.6 metros que mide el sensor… Existe otro sensor que mida mayores distancias?

        Saludos y gracias!

        • Hola Álvaro, el problema de estos sensores es que les afecta la deriva térmica, aunque hay maneras de compensarla. Sino tienes los SHARP que son por infrarrojos y además de que me parece que tienen mayor alcance no les afecta la deriva térmica, al menos no tanto. Un saludo.

  • Hola,
    He probado a usar el sensor con una placa nodeMcu.
    Mi sensor me mide a veces cosas extrañas y no consigo averiguar porque lo hace. He usado el código que pones, únicamente eliminando el delay que limita las mediciones.

    Lo tengo apuntando a una pared a 120 cm. El sensor a veces me mide secuencias en torno a 120 cm, pero en medio se cuelan secuencias de aproximadamente la mitad (en torno a 55 cm):
    112 115 113 116 114 112 111 114 115 116 113 118 112 115 113 116 114 112 111 114 115 116 113 118 55 54 57 58 56 57 54 59 51 53 54 52 55 56 112 …

    Esto es más o menos lo que hace. He probado diferentes cosas para solucionarlo:

    -He probado si es problema de la alimentación, alimentando el nodeMcu desde el puerto serie o desde la corriente. He probado también a alimentar los sensores tanto a 5V como a 3,3V (en esta úlitma tensión no me han funcionado). No se ha arreglado el problema.

    -He probado con diferentes sensores y diferentes placas NodeMcu. Incluso he probado con una raspberry pi, obteniendo los mismo resultados.

    -También he probado a medir en otros sitios, por ejemplo apuntando al techo. Las medidas en ese caso han hecho lo mismo, pero con 170 y 85 cm (aprox.).

    -He probado a añadir un retardo de 50 ms, delay(50), para evitar problema con el eco de la onda.

    Ya no se me ocurre que más cosas probar. ¿Es un fallo normal en estos sensores? ¿Estoy haciendo algo mal?

    Muchas gracias de antemano.

    • Hola Jaime, cuando he usado estos sensores me han parecido bastante estables y nunca he obtenido resultados tan variables como nos muestras.

      Mi primera opcion serie un sensor defectuoso, pero por lo visto me confirmas que lo has cambiado, y la segunda seria que la alimentaras a 5V para asegurarnos de que no es ese el problema, pero por lo que veo tambien los has comprobado

      Yo probe el codigo con un arduino UNO y te recomendaria que hicieras la prueba con un UNO o MEGA para descartar cosas raras. SI la medicion es correcta, entonces el problema esta con el nodemcu con seguridad y seria cuestion de ir buscando donde

    • Hola Jaime.

      Prueba a usar una librería que se llama Newping.h. Ésta hace una secuencia de mediciones, haya la media y te devuelve el valor. La he probado y me resulta bastante estable.

      También hay que apuntar que las paredes y techos no son 100% planos, y las ondas pueden rebotar mal, aparte de que la precisión de estos modulos no es la panacea. Prueba con la librería que te digo y ya nos dices.

      Saludos.

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