KY-050 Ultraschallabstandssensor

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Bild

KY-0050.png


Technische Daten / Kurzbeschreibung

Wird am Trigger-Eingang ein Signal (fallende Flanke) eingegeben, so wird eine Abstandsmessung durchgeführt und am Echo-Ausgang als PWM-TTL Signal ausgegeben

messbare Distanz: 2cm—300cm Messauflösung: 3mm

min. Zeit zwischen den Messungen 50µs

Pin-Belegung

KY-050 Anschluss.png

Funktionsprinzip

Dieses Modul zeigt auf, wie man mittels eines Ultraschalllautsprechers und eines Mikrofons den Abstand berührungslos zu einem Objekt messen kann. Das Prinzip basiert darauf, dass die Schallgeschwindigkeit in der Luft bei gleichbleibender Temperatur nahezu konstant bleibt - bei 20°C beträgt sie 343,2m/s.


Aus diesem Fakt kann man die Abstandsmessung in eine Zeitmessung überführen, welche dann von Mikrokontrollern einfach übernommen werden kann.

ky-050-Senden+Empfangen.jpg

Im hier vorgestellten Sensormodul sendet der Ultraschalllautsprecher acht 40KHz Signale aus, welche dann von einem Gegenstand reflektiert und vom Mikrofon aufgenommen werden können. Ultraschall wird verwendet, da es sich außerhalb des Hörbereiches des menschlichen Gehörsinns befindet (grob 20Hz-22.000Hz).

Das Aussenden des Ultraschallsignals wird gestartet, in dem am "Trigger Eingangs-Pin" ein 10µs langes Startsignal (ActiveHigh) empfangen wird. Nach dem Aussenden wird am "Echo Ausgang-Signal Pin" das Signal aktiviert (ActiveHigh). Wird nun am Mikrofon das reflektierte Signal wieder aufgenommen, so wird nach der Detektion das Echo-Signal wieder deaktiviert. Die Zeit zwischen der Aktivierung und der Deaktivierung des Echosignals kann gemessen und in den Abstand umgerechnet werden, da dies auch der Zeit entspricht, wie lang das Ultraschallsignal gebraucht hat um in der Luft die Strecke zwischen Lautsprecher->reflektierende Wand -> Mikrofon zu überwinden. Die Umrechnung erfolgt dann über die Annäherung einer konstanten Luftgeschwindigkeit - der Abstand ist dann folglich die Hälfte der zurückgelegten Strecke.


KY-050-Ultraschall.jpg

Codebeispiel Arduino

Das Beispielprogramm aktiviert nach o.g. Prinzip die Abstandsmessung und misst mit Hilfe der Arduino Funktion pulseIn die Zeit, wie lang das Ultraschallsignal in der Luft ist. Diese Zeit wird dann für die Umrechnung des Abstands als Basis genommen - das Ergebnis wird danach in der seriellen Ausgabe ausgegeben. Sollte das Signal außerhalb des Messbereichs sein, wird eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben.

#define Echo_EingangsPin 7 // Echo Eingangs-Pin
#define Trigger_AusgangsPin 8 // Trigger Ausgangs-Pin

// Benoetigte Variablen werden definiert
int maximumRange = 300; 
int minimumRange = 2; 
long Abstand;
long Dauer;

void setup() {
 pinMode(Trigger_AusgangsPin, OUTPUT);
 pinMode(Echo_EingangsPin, INPUT);
 Serial.begin (9600);
}

void loop() {

 // Abstandsmessung wird mittels des 10us langen Triggersignals gestartet
 digitalWrite(Trigger_AusgangsPin, HIGH);
 delayMicroseconds(10); 
 digitalWrite(Trigger_AusgangsPin, LOW);
 
 // Nun wird am Echo-Eingang gewartet, bis das Signal aktiviert wurde
 // und danach die Zeit gemessen, wie lang es aktiviert bleibt 
 Dauer = pulseIn(Echo_EingangsPin, HIGH);
 
 // Nun wird der Abstand mittels der aufgenommenen Zeit berechnet
 Abstand = Dauer/58.2;
 
 // Überprüfung ob gemessener Wert innerhalb der zulässingen Entfernung liegt
 if (Abstand >= maximumRange || Abstand <= minimumRange)
 {
    // Falls nicht wird eine Fehlermeldung ausgegeben.
      Serial.println("Abstand außerhalb des Messbereichs");
      Serial.println("-----------------------------------");
 }  
 
 else 
 {
    // Der berechnete Abstand wird in der seriellen Ausgabe ausgegeben
      Serial.print("Der Abstand betraegt:");
      Serial.print(Abstand);
      Serial.println("cm");
      Serial.println("-----------------------------------");
 }
  // Pause zwischen den einzelnen Messungen
 delay(500);
}

Anschlussbelegung Arduino:

VCC = [Pin 5V]
Echo = [Pin 7]
Trigger = [Pin 8]
Sensor GND = [Pin GND]

Beispielprogramm Download

KY-050-UltraschallabstandSensor.zip

Codebeispiel Raspberry Pi

!! Achtung !! 5V Spannungslevel  !! Achtung !!

Der Raspberry Pi arbeitet mit seinem ARM-Prozessorkern, anders als der auf Atmel Atmega basierende Arduino, mit 3,3V Spannungslevel, anstatt mit 5V - dieser Sensor funktioniert jedoch nur mit dem höheren Spannungslevel. Würde man den Sensor uneingeschränkt am Raspberry Pi ohne Vorsichtsmaßnahmen betreiben, könnten dies bei den Eingängen des Raspberry Pi's permanente Schäden hervorrufen.

Für solche Fälle Grund besitzt dieses Sensorkit-Set mit dem KY-051 einen Voltage-Translator, welcher die Spannungslevel anpasst und somit einen sicheren Betrieb gewährleistet. Dieser muss bei diesem Sensor zwischen den Rasperry Pi und dem Sensor zwischengeschaltet sein.

Nähere Informationen entnehmen Sie der Informationsseite zum KY-051 Voltage Translator / Level Shifter

!! Achtung !! 5V Spannungslevel  !! Achtung !!


Das Beispielprogramm aktiviert nach o.g. Prinzip die Abstandsmessung und misst mit Hilfe einer Art Stoppuhr die Zeit, wie lang das Ultraschallsignal in der Luft ist. Diese Stoppuhr wird realisiert, indem beim Zeitpunkt des Umschaltens des Echosignals, die aktuelle Systemzeit aus time.time() herausgelesen wird; die Differenz zwischen der Einschaltzeit und der Ausschaltzeit ist die gesuchte Zeit wie lang das Signal unterwegs ist.
Diese Zeit wird dann für die Umrechnung des Abstands als Basis genommen - das Ergebnis wird danach in der Kosnole ausgegeben. Sollte das Signal außerhalb des Messbereichs sein, wird eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben.


# coding=utf-8
# Benötigte Module werden eingefügt und konfiguriert
import time
import RPi.GPIO as GPIO
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# Hier können die jeweiligen Eingangs-/Ausgangspins ausgewählt werden
Trigger_AusgangsPin = 17
Echo_EingangsPin    = 27

# Die Pause zwischen den einzelnen Messugnen kann hier in Sekunden eingestellt werden
sleeptime = 0.8

# Hier werden die Ein-/Ausgangspins konfiguriert
GPIO.setup(Trigger_AusgangsPin, GPIO.OUT)
GPIO.setup(Echo_EingangsPin, GPIO.IN)
GPIO.output(Trigger_AusgangsPin, False)

# Hauptprogrammschleife
try:
    while True:
        # Abstandsmessung wird mittels des 10us langen Triggersignals gestartet
        GPIO.output(Trigger_AusgangsPin, True)
        time.sleep(0.00001)
        GPIO.output(Trigger_AusgangsPin, False)

        # Hier wird die Stopuhr gestartet
        EinschaltZeit = time.time()
        while GPIO.input(Echo_EingangsPin) == 0:
            EinschaltZeit = time.time() # Es wird solange die aktuelle Zeit gespeichert, bis das Signal aktiviert wird

        while GPIO.input(Echo_EingangsPin) == 1:
            AusschaltZeit = time.time() # Es wird die letzte Zeit aufgenommen, wo noch das Signal aktiv war

        # Die Differenz der beiden Zeiten ergibt die gesuchte Dauer
        Dauer = AusschaltZeit - EinschaltZeit
        # Mittels dieser kann nun der Abstand auf Basis der Schallgeschwindigkeit der Abstand berechnet werden
        Abstand = (Dauer * 34300) / 2

        # Überprüfung, ob der gemessene Wert innerhalb der zulässigen Entfernung liegt
        if Abstand < 2 or (round(Abstand) > 300):
            # Falls nicht wird eine Fehlermeldung ausgegeben
            print("Abstand außerhalb des Messbereich")
            print("------------------------------")
        else:
            # Der Abstand wird auf zwei Stellen hinterm Komma formatiert
            Abstand = format((Dauer * 34300) / 2, '.2f')
            # Der berechnete Abstand wird auf der Konsole ausgegeben
            print("Der Abstand beträgt:"), Abstand,("cm")
            print("------------------------------")

        # Pause zwischen den einzelnen Messungen
        time.sleep(sleeptime)

# Aufraeumarbeiten nachdem das Programm beendet wurde
except KeyboardInterrupt:
    GPIO.cleanup()



Anschlussbelegung Raspberry Pi:

Sensor KY-050:

VCC = 5V [Pin 2 (RPi)]
Trigger = Pin B1 [KY-051-Voltage Translator]
Echo = Pin B2 [KY-051-Voltage Translator]
GND = Masse [Pin 6 (RPi)]

KY-051- Voltage Translator:

VCCb = 5V [Pin 04(RPi)]
Pin B1 = Trigger [KY-050-UltraschallSensor]
Pin B2 = Echo [KY-050-UltraschallSensor]
VCCa = 3,3V [Pin 01(RPi)]
Pin A1 = GPIO17 [Pin 11(RPi)]
Pin A2 = GPIO27 [Pin 13(RPi)]
GND = Masse [Pin 06(RPi)]
  • Alle restlichen Pins am KY-051-Voltage-Translator-Modul müssen nicht angeschlossen werden (OE,B3,B4,A3,A4).

Beispielprogramm Download

KY-050-RPi_UltraschallAbstandSensor.zip

Zu starten mit dem Befehl:

sudo python KY-050-RPi_UltraschallAbstandSensor.py