KY-050 Ultraschall-Abstandssensor

Dieses Modul eignet sich hervorragend zur Entfernungsmessung in einem Bereich zwischen 2 cm und 3 m. Mit einer Auflösung von etwa 3 mm können Distanzen präzise per Ultraschallsignal gemessen werden. Wenn am Trigger-Eingang ein Signal (fallende Flanke) angelegt wird, startet der Sensor eine Abstandsmessung. Das Ergebnis wird am Echo-Ausgang als PWM-TTL-Signal ausgegeben.

Der Ultraschall-Abstandssensor ist besonders nützlich für die Hinderniserkennung, Entfernungsmessung, Füllstandsanzeigen und verschiedene Industrieanwendungen. Dank seiner hohen Präzision und schnellen Reaktionszeit (minimale Zeit zwischen den Messungen beträgt 50 µs) kann der Sensor zuverlässig in Echtzeit arbeiten.

Dieses Modul ist vielseitig einsetzbar und bietet eine einfache und effektive Lösung für Projekte, bei denen genaue Entfernungsmessungen erforderlich sind.

Funktionsprinzip

Dieses Modul zeigt, wie mit einem Ultraschalllautsprecher und einem Mikrofon die Entfernung zu einem Objekt berührungslos gemessen werden kann. Das Prinzip beruht auf der Tatsache, dass die Schallgeschwindigkeit in der Luft bei konstanter Temperatur nahezu konstant bleibt - bei 20 °C beträgt sie 343,2 m / s.

Daraus lässt sich die Entfernungsmessung in eine Zeitmessung umwandeln, die dann leicht von Mikrocontrollern übernommen werden kann.

Der Ultraschalllautsprecher (Transducer) sendet, wenn dieser ausgelöst wird, ein maximal 200µs langes Ultraschallgeräusch aus. Dabei sendet der Ultraschalllautsprecher ein 40 kHz Signal aus. Das bedeutet, dass innerhalb der 200µs in denen der Sensor sein Ultraschallgeräusch ausgibt, 8 Perioden (Flankenwechsel) ausgegeben werden. Um auf diese 8 Perioden des 40 kHz Signales rechnerisch zu kommen, berechnet man das ganze, wie im Folgenden dargestellt ist.

Anzahl der Perioden in einer Sekunde = 40000
Zeit = 1s
Dauer einer einzelnen Periode:
1s / 40000 = 25µs

Maximale Länge des Ultraschallgeräusches = 200us
Dauer einer einzelnen Periode = 25us
Anzahl an Perioden im Ultraschallgeräusch:
200µs / 25µs = 8

Das Prinzip ist einfach gehalten, es wird ein Ultraschallgeräusch vom Lautsprecher auf dem PCB ausgegeben, welches dann von einem Objekt reflektiert und vom Mikrofon auf dem PCB aufgenommen wird. Ultraschall wird verwendet, weil dieser außerhalb des Hörbereichs des menschlichen Ohrs liegt (etwa 20Hz-22kHz).

Die Übertragung des Ultraschallsignals wird gestartet, wenn ein 10µs langes Startsignal (ActiveHigh) am "Trigger Input Pin" empfangen wird. Nach der Übertragung wird das Signal am "Echo Output Signal Pin" (ActiveHigh) aktiviert. Wird das reflektierte Signal nun wieder am Mikrofon aufgenommen, wird das Echosignal nach der Detektion wieder deaktiviert. Die Zeit zwischen Aktivierung und Deaktivierung des Echosignals kann gemessen und in die Entfernung umgerechnet werden, da dies auch der Zeit entspricht, wie lange das Ultraschallsignal benötigt, um die Strecke zwischen Lautsprecher-> reflektierende Wand -> Mikrofon in der Luft zu überwinden. Die Umrechnung erfolgt dann durch Annäherung an eine konstante Luftgeschwindigkeit - die Entfernung ist dann die Hälfte der zurückgelegten Strecke.

Anschlussbelegung

Programmierbeispiel in der Programmiersprache Python

5V Spannungslevel, daher muss folgendes beachtet werden

Der Raspberry Pi arbeitet mit seinem ARM-Prozessorkern, anders als der auf Atmel Atmega basierende Arduino, mit 3,3 V Spannungslevel, anstatt mit 5 V. Dieser Sensor funktioniert jedoch nur mit dem höheren Spannungsleveln. Würde drn Sensor uneingeschränkt am Raspberry Pi, ohne Vorsichtsmaßnahmen, betrieben werden, so könnte dies permantente Schäden am Raspberry Pi verursachen.

Um dies zu verhindern, ist es Empfehlenswert einen sogenannten Voltage Translator dazwischenzuschalten, der die Spannungslevel entsprechend anpasst und einen sicheren Betrieb gewährleistet. Hierfür eignet sich hervorragend unser KY-051 Voltage Translator.

Code-Beispiel

Das Beispielprogramm aktiviert nach o.g. Prinzip die Abstandsmessung und misst 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 Kosnole ausgegeben. Sollte das Signal außerhalb des Messbereichs sein, wird eine entsprechende Fehlermeldung ausgegeben.

# -*- coding: iso-8859-1 -*-
from gpiozero import DistanceSensor
import time

# Definiere die Pins fuer den Sensor
trigger_pin = 17
echo_pin = 27

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

# Initialisiere den Ultraschallsensor
sensor = DistanceSensor(echo=echo_pin, trigger=trigger_pin)

# Hauptprogrammschleife
try:
    while True:
        # Misst die Distanz und gibt sie aus
        distance = sensor.distance * 100  # Umrechnung von Meter in Zentimeter
        if distance < 2 or distance > 300:
            print("Abstand ausserhalb des Messbereich")
            print("------------------------------")
        else:
            # Der Abstand wird auf zwei Stellen hinter dem Komma formatiert
            print(f"Der Abstand betraegt: {distance:.2f} cm")
            print("------------------------------")
        
        # Pause zwischen den einzelnen Messungen
        time.sleep(sleeptime)

# Aufraeumarbeiten nachdem das Programm beendet wurde
except KeyboardInterrupt:
    print("Programm wurde durch Benutzer unterbrochen")