Sensor de proximidad por ultrasonidos

La ecolocalización es una capacidad que poseen algunos animales, como el murciélago y el delfín, de orientarse y reconocer su entorno mediante la emisión de sonidos, analizando el eco recibido cuando la onda sonora choca y rebota contra un obstáculo. Estos animales pueden conocer la distancia a la que se encuentran los objetos midiendo la diferencia de tiempo entre la señal emitida y la recibida, incluso pueden ser capaces de captar información más específica, como la posición espacial del objeto, su tamaño y otras características.

Los ultrasonidos son ondas sonoras de frecuencia superior a la perceptible por el oído humano, es decir, superiores a los 20.000 Hz. Recordemos que el oído humano solo es capaz de percibir el sonido de frecuencias comprendidas entre los 20 Hz y los 20.000 Hz.

En la práctica los ultrasonidos son muy útiles en diversos campos como por ejemplo la medicina. Por lo general a todos nos suena el término ecografía. Se trata de imágenes creadas a partir del “eco”. Las máquinas utilizadas para generar ecografías, permiten crear imágenes de órganos internos gracias a los ultrasonidos, ondas sonoras que tras rebotar contra las estructuras corporales retornan al dispositivo, el cual es capaz de crear las imágenes a partir del análisis de la intensidad y tiempo de retorno de las ondas ultrasónicas.

En el sector industrial, los ultrasonidos se emplean comúnmente como sensores para medir distancias o detectar obstáculos, así como para limpieza de determinadas piezas y componentes electrónicos por medio de bañeras de ultrasonidos.

Sensor de proximidad HC-SR04

El HC-SR04 es un sensor de proximidad por ultrasonidos que sirve para medir distancias. Su modo de operar se basa en todo lo que ya hemos descrito anteriormente acerca de las ondas ultrasónicas.

El dispositivo cuenta con un elemento transmisor y un elemento receptor. El transmisor emite pulsos ultrasónicos que rebotan contra los objetos cercanos y son recibidos por el receptor. Conociendo la velocidad del sonido y midiendo el tiempo de retorno, somos capaces de calcular la distancia a la que se encuentra el objeto que reflejó la onda sonora.

Las principales características del sensor son las siguientes:

• Alimentación a 5 V

• Rango de medición: de 2 cm a 400 cm (en la práctica se queda en torno a 200 cm)

• Frecuencia del pulso: 40 KHz

• Apertura del pulso: 15 grados

• Señal de disparo: 10 μ

  s

• Dimensiones del módulo: 45x20x15 mm

En cuanto a las funciones de sus entradas y salidas tenemos lo siguiente:

Algoritmo y funcionamiento del sensor

Para medir una distancia con el sensor de ultrasonidos HC-SR04 el funcionamiento sería el siguiente:

Desde cualquier pin digital de Arduino se envía un único pulso de 5V y 10us de duración a la entrada “Trig” del sensor.

Tras recibir dicha señal, el transmisor del sensor indicado mediante la letra “T” emitirá una onda sonora ultrasónica compuesta de 8 pulsos y frecuencia de 40 KHz.

La onda sonora rebotará contra un objeto del medio físico y regresará al sensor a través del elemento receptor indicado con la letra “R”.

Después de que el receptor ha recibido los 8 pulsos de la onda sonora, el sensor mide el tiempo que la onda ha tardado en regresar, y comunica dicho dato generando una señal de un único pulso de duración igual al tiempo calculado y la envía a través de la salida “Echo”.

De vuelta al Arduino, para conocer la duración del pulso emitido por la señal “Echo”, recurrimos a la función “pulseIn()” que explicaremos más adelante en el apartado de programación.

Ahora que ya tenemos el tiempo de propagación de la onda, podemos calcular fácilmente la distancia recorrida por la misma y por tanto la distancia entre el sensor y el objeto. Sabiendo que la velocidad del sonido es de 343 m/s, el cálculo sería el siguiente:

Primero aplicamos la siguiente conversión de unidades:

Lo que significa que la velocidad del sonido recorre 1 cm en 29,2 μs. El espacio recorrido por la onda sonora es el doble de la distancia entre el sensor y el objeto puesto que la onda ha de ir y volver, por tanto la fórmula para calcular dicha distancia será la siguiente:

Librerías específicas para el HC-SR04

Existen diversas librerías que permiten manejar de forma directa el sensor de ultrasonidos. Nosotros haremos uso de la recomendada por Arduino en su web oficial. Para descargar dicha librería debemos acceder al siguiente enlace:

 https://www.arduino.cc/reference/en/libraries/hcsr04-ultrasonic-sensor

Nos descargaremos la última versión y la instalaremos de forma manual en nuestro IDE, desde la pestaña “Programa”, en la sección “Incluir Librería”, presionando en “Añadir biblioteca .ZIP…”.

Para hacer uso del sensor con dicha librería tenemos las siguientes funciones.