아두이노 - 초음파 센서 | Arduino - Ultrasonic Sensor

준비물

초음파 센서에 대하여

초음파 센서 HC-SR04는 초음파를 사용하여 물체까지의 거리를 측정하는 데 사용됩니다.

핀배열

초음파 센서 HC-SR04에는 4개의 핀이 포함되어 있습니다:

• VCC 핀: VCC(5V)에 연결해야 합니다.
• GND 핀: GND(0V)에 연결해야 합니다.
• TRIG 핀: 이 핀은 아두이노로부터 제어 신호(펄스)를 받습니다.
• ECHO 핀: 이 핀은 아두이노에 신호(펄스)를 보냅니다. 아두이노는 펄스의 지속 시간을 측정하여 거리를 계산합니다.

작동 원리

1. 마이크로컨트롤러: TRIG 핀에서 10마이크로초 펄스를 생성합니다.
2. 초음파 센서가 자동으로 초음파를 발생시킵니다.
3. 초음파는 장애물에 맞고 반사됩니다.
4. 초음파 센서:
• 반사된 초음파를 감지합니다.
• 초음파의 이동 시간을 측정합니다.

초음파 센서로부터 거리를 측정하는 방법

초음파 센서에서 거리를 얻으려면, 우리는 단지 두 단계(‘작동 원리’ 부분의 1과 6단계)만 수행하면 됩니다.

• TRIG 핀에서 10-마이크로초 펄스를 생성합니다.
• ECHO 핀에서 펄스 지속 시간을 측정한 다음, 센서와 장애물 사이의 거리를 계산합니다.

거리 계산

우리는 다음을 가지고 있습니다:

• 초음파의 이동 시간(μs): : travel_time = pulse_duration
• 초음파의 속도: speed = SPEED_OF_SOUND = 340 m/s = 0.034 cm/µs

그래서:

• 초음파의 이동 거리(cm): travel_distance = speed × travel_time = 0.034 × pulse_duration
• 센서와 장애물 사이의 거리(cm): distance = travel_distance / 2 = 0.034 × pulse_duration / 2 = 0.017 × pulse_duration

아두이노 - 초음파 센서

아두이노의 핀은 10-마이크로초 펄스를 생성하고 펄스 지속 시간을 측정할 수 있습니다. 따라서 우리는 두 개의 아두이노 핀을 사용하여 초음파 센서로부터의 거리를 얻을 수 있습니다:

• 하나의 핀은 센서의 TRIG 핀에 10µs의 펄스를 생성하기 위해 TRIG 핀에 연결됩니다.
• 다른 핀은 센서에서 펄스를 측정하기 위해 ECHO 핀에 연결됩니다.

선연결

이 이미지는 Fritzing을 사용하여 만들어졌습니다. 이미지를 확대하려면 클릭하세요.

초음파 센서를 프로그래밍하는 방법

Arduino의 digitalWrite() 함수와 delayMicroseconds() 함수를 사용하여 핀에서 10마이크로초 펄스를 생성합니다. 예를 들면, 핀 9:

Arduino의 핀에서 pulseIn() 함수를 사용하여 펄스 지속 시간(μs)을 측정합니다. 예를 들어, 핀 8:

거리 계산하기 (cm):

아두이노 코드

사용 방법

• 위의 코드를 복사하고 Arduino IDE로 열기
• 코드를 Arduino에 업로드하기 위해 Arduino IDE에서 Upload 버튼을 클릭하십시오.

• 시리얼 모니터 열기
• 초음파 센서 앞에서 손을 움직이세요
• 시리얼 모니터에서 센서와 손 사이의 거리를 확인하세요

코드 설명

위의 아두이노 코드의 주석 라인에서 설명을 찾을 수 있습니다.

초음파 센서의 거리 측정에서 잡음을 필터링하는 방법

초음파 센서로부터의 측정 결과에는 잡음이 포함되어 있습니다. 일부 응용 프로그램에서는 이러한 잡음이 원치 않는 작동을 초래합니다. 다음 알고리즘을 사용하여 잡음을 제거할 수 있습니다:

• 여러 번 측정한 값을 배열에 저장하기
• 배열을 오름차순으로 정렬하기
• 노이즈 필터링하기
• 가장 작은 몇 개의 샘플은 노이즈로 간주하고 무시하기
• 가장 큰 몇 개의 측정값은 노이즈로 간주하고 무시하기
• 중간 샘플들의 평균 값을 구하기

아래 예제 코드는 20번의 측정을 수행합니다.

• 가장 작은 5개의 샘플은 노이즈로 간주됩니다 → 이를 무시하세요
• 가장 큰 5개의 샘플은 노이즈로 간주됩니다 → 이를 무시하세요
• ⇒ 5번째부터 14번째까지의 중간 10개 샘플의 평균을 구하세요
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/* * 이 Arduino 코드는 newbiely.kr 에서 개발되었습니다 * 이 Arduino 코드는 어떠한 제한 없이 공개 사용을 위해 제공됩니다. * 상세한 지침 및 연결도에 대해서는 다음을 방문하세요: * https://newbiely.kr/tutorials/arduino/arduino-ultrasonic-sensor */ #define TRIG_PIN 9 // TRIG 핀 #define ECHO_PIN 8 // ECHO 핀 float filterArray[20]; // 센서에서 데이터 샘플을 저장하기 위한 배열 float distance; // 센서에서의 거리를 저장 void setup() { // 시리얼 포트 시작 Serial.begin (9600); // 트리거와 에코 핀을 출력 모드로 설정 pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT); pinMode(ECHO_PIN, INPUT); } void loop() { // 1. 여러 측정치를 취하고 배열에 저장 for (int sample = 0; sample < 20; sample++) { filterArray[sample] = ultrasonicMeasure(); delay(30); // 초음파 간섭을 피하기 위함 } // 2. 배열을 오름차순으로 정렬 for (int i = 0; i < 19; i++) { for (int j = i + 1; j < 20; j++) { if (filterArray[i] > filterArray[j]) { float swap = filterArray[i]; filterArray[i] = filterArray[j]; filterArray[j] = swap; } } } // 3. 노이즈 필터링 // + 가장 작은 5개의 샘플은 노이즈로 간주 -> 무시 // + 가장 큰 5개의 샘플은 노이즈로 간주 -> 무시 // ---------------------------------------------------------------- // => 5번째부터 14번째까지의 10개 중간 샘플의 평균을 구함 double sum = 0; for (int sample = 5; sample < 15; sample++) { sum += filterArray[sample]; } distance = sum / 10; // 시리얼 모니터에 값 출력 Serial.print("distance: "); Serial.print(distance); Serial.println(" cm"); } float ultrasonicMeasure() { // TRIG 핀에 10-마이크로초 펄스를 생성 digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH); delayMicroseconds(10); digitalWrite(TRIG_PIN, LOW); // ECHO 핀에서 펄스의 지속 시간 측정 float duration_us = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH); // 거리 계산 float distance_cm = 0.017 * duration_us; return distance_cm; }

동영상

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도전하세요

초음파 센서를 사용하여 다음 프로젝트 중 하나를 수행합니다:

• RC 자동차를 위한 충돌 방지.
• 쓰레기통의 가득 참 감지.
• 쓰레기통의 수준 모니터링.
• 쓰레기통을 자동으로 열기/닫기. 힌트: Arduino - Servo Motor를 참조하세요.

추가 지식

일부 제조업체는 3개의 핀이 있는 초음파 센서를 제공합니다. TRIG 신호와 ECHO 신호가 같은 핀에 있습니다. 이 경우, 센서에 펄스를 생성하고 센서로부터 펄스를 측정하는 두 가지 목적 모두에 단 하나의 아두이노 핀만 사용해야 합니다.

초음파 센서 응용 분야

• 충돌 방지
• 충만 감지
• 수위 측정
• 근접 감지

함수 참조

• pinMode()
• digitalWrite()
• pulseIn()
• delayMicroseconds()
• delay()
• Serial

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