Abb. 10 · Robotik-Labor · Entfernung aus einem Echo, das du stoppen kannst

Einparksensor HC-SR04

Arduino Nano

Die Abbildung wird geladen …

Werkbank

Noch kein Messwert

Entfernung

Noch kein Messwert

Stromaufnahme

0 mA

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes
Bis auf die nackte Platine zerlegen
Nimm jedes Bauteil von der blauen Platine. Du setzt sie so wieder zusammen, wie sie hergestellt wird: zuerst die Chips auf der Rückseite, dann der Quarz und die Stiftleiste, dann die beiden Kapseln.
2
Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten
3
Quarz und Stiftleiste einsetzen
4
Die beiden Kapseln einsetzen
5
Die bedrahteten Bauteile löten
6
Den Nano verdrahten
7
Den Summer verdrahten
8
Die Werkbank mit Strom versorgen
9
„Ping und Ausgabe“ hochladen
10
„Einparkpiepser“ hochladen
11
„Ein Kissen anpingen“ hochladen
12
„Nichts in Reichweite“ hochladen
13
Vcc und Gnd vertauscht anschließenKaputt machen
14
Vcc vom 3V3-Pin des Nano versorgenKaputt machen
15
Den Empfänger abziehenKaputt machen
16
Eine kalte Lötstelle an Echo lassenKaputt machen
17
Das Timeout von pulseIn() vergessenKaputt machen
18
Vcc mit Gnd kurzschließenKaputt machen
19
Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Jeder Fehler ist einer, über den echte Bastler stolpern. Lös ihn aus, lies das Symptom an der Werkbank ab und beheb ihn dann.

Vcc verpolt
Verpolung
Warum es passiert
Symptom: Die Chips werden innerhalb von Sekunden heiß, und der USB des Nano kann aussteigen. Danach misst die Platine oft gar nichts mehr.
Nichts auf dem HC-SR04 blockiert eine verpolte Versorgung: Strom fließt rückwärts durch die Schutzdioden in jedem Chip. Der MAX3232 und die MCU sterben meistens.
Lösung: Sofort abstecken, Vcc an 5V und Gnd an GND anschließen. Schließ Gnd zuerst an, wie es in den Datenblättern steht.
Nur 3,3 V an Vcc
falsche Spannung
Warum es passiert
Symptom: Jeder Ping meldet kein Echo. Die Ringe des Stoßes gehen schwach hinaus, und nichts kommt zurück.
Die MCU läuft mit 3,3 V, aber der Treiber des MAX3232 und die Verstärkung des LM324 brauchen 4,5 bis 5,5 V. Der Stoß ist zu schwach und der Empfänger zu taub, um ihn zurückkommen zu hören.
Lösung: Versorg Vcc mit 5V. An einer 3,3-V-Platine nimm den HC-SR04P, der ab 3,0 V läuft.
Kein Empfänger
fehlendes Bauteil
Warum es passiert
Symptom: Jeder Ping meldet kein Echo, obwohl der Stoß hinausgeht.
Ohne R hört niemand das Echo, also wartet die MCU ihre 38 ms und senkt Echo. Eine kalte Lötstelle an einem Kapselbein macht dasselbe.
Lösung: Setz R ein und löte beide Beine.
Kalte Lötstelle an Echo
kalte Lötstelle
Warum es passiert
Symptom: Die Messwerte kommen und gehen: eine gute Entfernung, dann kein Echo, dann wieder eine gute. Berührst du die Platine, ändert es sich.
Über eine Lötstelle, die mal Kontakt hat und mal nicht, kommt der Echo-Impuls manchmal nie beim Nano an, und pulseIn() läuft ins Timeout.
Lösung: Erhitz die Lötstelle mit frischem Lötzinn neu, bis es zu einem glänzenden Kegel verläuft.
pulseIn() ohne Timeout
falsche Einstellung
Warum es passiert
Symptom: Ein leerer Raum misst 655 cm, jenseits der 4 m des Sensors, und jeder Ping dauert länger.
Ohne etwas, das ein Echo gibt, hält die Platine Echo für ihr eigenes Timeout, etwa 38 ms, auf HIGH und senkt es dann. pulseIn() ohne Timeout wartet bis zu einer Sekunde, misst diesen 38-ms-Impuls, und der Sketch gibt ihn als 38000 / 58 = 655 cm aus.
Lösung: Übergib ein Timeout, pulseIn(ECHO, HIGH, 30000UL), und behandle 0 als „no echo“, nicht als Entfernung.
Vcc mit Gnd kurzgeschlossen
Kurzschluss
Warum es passiert
Symptom: Alles geht aus: Der Nano setzt sich zurück oder sein USB steigt aus, und seine Polyfuse wird warm.
Die Platine hat keine eigene Sicherung. Der Kurzschluss zieht die 5 V des Nano herunter, bis seine USB-Polyfuse den Strom begrenzt.
Lösung: Abstecken, das verirrte Kabel entfernen und die Stifte der Stiftleiste auf eine Lötbrücke prüfen.

Die Werkbank im Überblick

Bau die Sonarplatine auf, ping sie an und lass dann einen Summer schneller piepen, je näher eine Hand kommt

Ein Roboter, der gegen Wände fährt, muss wissen, wie weit sie weg sind. Der HC-SR04 schreit aus einer Kapsel einen Stoß 40-kHz-Schall hinaus und lauscht mit der anderen auf das Echo; sein Echo-Pin bleibt für den Hin- und Rückweg HIGH. Schall legt einen Zentimeter hin und zurück in 58 µs zurück, also bedeutet ein Impuls von 1740 µs eine Wand in 30 cm Entfernung. Bau die Platine auf, ping sie von einem Nano aus an und lass dann einen Summer schneller piepen, je näher eine Hand kommt, wie bei der Einparkhilfe eines Autos. Dann mach sie kaputt: versorg sie verpolt oder mit 3,3 V, zieh den Empfänger ab, lass eine kalte Lötstelle an Echo, vergiss das Timeout von pulseIn() und schließ ihre Versorgung kurz.

Quellen

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 2.340 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Ping und Ausgabe

// Ping und Ausgabe: eine Wand 30 cm davor
const int TRIG = 9;
const int ECHO = 10;

float ping() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH);   // ein HIGH von mindestens 10 µs startet einen Ping
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  unsigned long us = pulseIn(ECHO, HIGH, 30000UL);   // nach 30 ms aufgeben (etwa 5 m): 0 heißt kein Echo
  if (us == 0) return -1;
  return us / 58.0;   // 58 µs Hin- und Rückweg pro cm
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
  Serial.println("hc-sr04: one ping a second");
}

void loop() {
  float cm = ping();
  if (cm < 0) {
    Serial.println("no echo");   // 0 heißt nicht "sehr nah": Es kam nichts zurück
  } else {
    Serial.print(cm, 2);
    Serial.println(" cm");
  }
  delay(1000);
}

Übungsaufgaben

0/2 Aufgaben

Schreib den Code und führ dann die Prüfungen aus. Der Lauf nutzt eine virtuelle Uhr und eine geskriptete Umgebung, deshalb liefert derselbe Code immer dasselbe Ergebnis.

Im leeren Raum nicht bremsen

Arduino C++

Der Stoßstangen-Sketch dieses Roboters schaltet das Bremslicht (D13) ein, wenn etwas näher als 20 cm ist. Vor einer Wand funktioniert das, aber in einem offenen Raum bremst er auch: Wenn nichts ein Echo gibt, gibt pulseIn() 0 zurück, und 0 cm ist „näher als 20“. Brems nur, wenn es wirklich ein Echo unter 20 cm gab. Die Wand ist 80 cm entfernt, bei 1,5 s 15 cm, bei 3 s weg und bei 4,5 s 8 cm entfernt.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft
Noch nicht ausgeführtWand in 80 cm: keine Bremse
Noch nicht ausgeführtWand in 15 cm: Bremse
Noch nicht ausgeführtLeerer Raum: keine Bremse
Noch nicht ausgeführtWand in 8 cm: Bremse

Tipps

ping() gibt 0 zurück, wenn nichts zurückkam. 0 ist keine Entfernung.
Beides muss wahr sein: Es gab ein Echo, und es war nah.
bool brake = cm > 0 && cm < 20;

Code für Im leeren Raum nicht bremsen

Wie schnell kommt es näher?

Arduino C++

Ein Roboter muss nicht nur wissen, wie weit, sondern auch, wie schnell. Der Sketch pingt alle 500 ms. Berechne die Annäherungsgeschwindigkeit aus dieser Entfernung, der letzten und der Zeit dazwischen und häng an jede Zeile ", approaching at N cm/s", ", moving away at N cm/s" oder ", holding" (innerhalb von 2 cm/s) an. Eine Hand kommt mit 20 cm/s von 1 m auf 30 cm heran, hält an und zieht sich dann zurück.

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft
Noch nicht ausgeführtMeldet approaching mit etwa 20 cm/s
Noch nicht ausgeführtMeldet holding, wenn die Hand bei 30 cm anhält
Noch nicht ausgeführtMeldet moving away mit etwa 20 cm/s

Tipps

speed = (last - cm) / Sekunden zwischen den Pings: positiv, wenn es näher kommt.
Behalte last und lastAt vom vorigen Ping; lass die Geschwindigkeit weg, wenn einer der beiden Messwerte kein Echo ist.
Serial.print(speed, 0) gibt sie ohne Nachkommastellen aus.

Code für Wie schnell kommt es näher?

// Nach jeder Entfernung die Annäherungsgeschwindigkeit ausgeben
const int TRIG = 9;
const int ECHO = 10;
float last = -1;
unsigned long lastAt = 0, nextAt = 0;

float ping() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH);   // ein HIGH von mindestens 10 µs startet einen Ping
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  unsigned long us = pulseIn(ECHO, HIGH, 30000UL);   // nach 30 ms aufgeben (etwa 5 m): 0 heißt kein Echo
  if (us == 0) return -1;
  return us / 58.0;   // 58 µs Hin- und Rückweg pro cm
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
  Serial.println("closing speed: a ping every 500 ms");
}

void loop() {
  unsigned long now = millis();
  if (now < nextAt) return;
  nextAt = now + 500;
  float cm = ping();
  if (cm < 0) Serial.print("no echo");
  else {
    Serial.print(cm, 1);
    Serial.print(" cm");
  }
  // mit dem letzten Messwert vergleichen: approaching at N cm/s, moving away at N cm/s oder holding
  Serial.println();
}

Bauen und kaputt machen

1BauenAls Nächstes

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Nimm jedes Bauteil von der blauen Platine. Du setzt sie so wieder zusammen, wie sie hergestellt wird: zuerst die Chips auf der Rückseite, dann der Quarz und die Stiftleiste, dann die beiden Kapseln.

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Quarz und Stiftleiste einsetzen

Die beiden Kapseln einsetzen

Die bedrahteten Bauteile löten

Den Nano verdrahten

Den Summer verdrahten

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Ping und Ausgabe“ hochladen

„Einparkpiepser“ hochladen

„Ein Kissen anpingen“ hochladen

„Nichts in Reichweite“ hochladen

Vcc und Gnd vertauscht anschließenKaputt machen

Vcc vom 3V3-Pin des Nano versorgenKaputt machen

Den Empfänger abziehenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an Echo lassenKaputt machen

Das Timeout von pulseIn() vergessenKaputt machen

Vcc mit Gnd kurzschließenKaputt machen

Explosionsansicht

Die Werkbank im Überblick

Bau die Sonarplatine auf, ping sie an und lass dann einen Summer schneller piepen, je näher eine Hand kommt

Auf der Werkbank

Ausgewählt

Der Sketch verwendet 2.340 Bytes des Programmspeicherplatzes

Code: Ping und Ausgabe

// Ping und Ausgabe: eine Wand 30 cm davor
const int TRIG = 9;
const int ECHO = 10;

float ping() {
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG, HIGH);   // ein HIGH von mindestens 10 µs startet einen Ping
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIG, LOW);
  unsigned long us = pulseIn(ECHO, HIGH, 30000UL);   // nach 30 ms aufgeben (etwa 5 m): 0 heißt kein Echo
  if (us == 0) return -1;
  return us / 58.0;   // 58 µs Hin- und Rückweg pro cm
}

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
  Serial.println("hc-sr04: one ping a second");
}

void loop() {
  float cm = ping();
  if (cm < 0) {
    Serial.println("no echo");   // 0 heißt nicht "sehr nah": Es kam nichts zurück
  } else {
    Serial.print(cm, 2);
    Serial.println(" cm");
  }
  delay(1000);
}

Wie schnell kommt es näher?

Arduino C++

Prüfungen

Noch nicht ausgeführtLäuft
Noch nicht ausgeführtMeldet approaching mit etwa 20 cm/s
Noch nicht ausgeführtMeldet holding, wenn die Hand bei 30 cm anhält
Noch nicht ausgeführtMeldet moving away mit etwa 20 cm/s

Tipps

speed = (last - cm) / Sekunden zwischen den Pings: positiv, wenn es näher kommt.
Behalte last und lastAt vom vorigen Ping; lass die Geschwindigkeit weg, wenn einer der beiden Messwerte kein Echo ist.
Serial.print(speed, 0) gibt sie ohne Nachkommastellen aus.

Code für Wie schnell kommt es näher?

// Nach jeder Entfernung die Annäherungsgeschwindigkeit ausgeben
const int TRIG = 9;
const int ECHO = 10;
float last = -1;
unsigned long lastAt = 0, nextAt = 0;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG, OUTPUT);
  pinMode(ECHO, INPUT);
  Serial.println("closing speed: a ping every 500 ms");
}

Einparksensor HC-SR04

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Quarz und Stiftleiste einsetzen

Die beiden Kapseln einsetzen

Die bedrahteten Bauteile löten

Den Nano verdrahten

Den Summer verdrahten

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Ping und Ausgabe“ hochladen

„Einparkpiepser“ hochladen

„Ein Kissen anpingen“ hochladen

„Nichts in Reichweite“ hochladen

Vcc und Gnd vertauscht anschließenKaputt machen

Vcc vom 3V3-Pin des Nano versorgenKaputt machen

Den Empfänger abziehenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an Echo lassenKaputt machen

Das Timeout von pulseIn() vergessenKaputt machen

Vcc mit Gnd kurzschließenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Vcc verpolt

Nur 3,3 V an Vcc

Kein Empfänger

Kalte Lötstelle an Echo

pulseIn() ohne Timeout

Vcc mit Gnd kurzgeschlossen

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die bedrahteten Bauteile löten

Nach: „Einparkpiepser“ hochladen

Nach: Vcc mit Gnd kurzschließen

Abschlussquiz der Werkbank

Die Werkbank im Überblick

Quellen

Auf der Werkbank

Übungsaufgaben

Im leeren Raum nicht bremsen

Prüfungen

Wie schnell kommt es näher?

Prüfungen

Einparksensor HC-SR04

Die Werkbank

Bauen und kaputt machen

Bis auf die nackte Platine zerlegen

Die SMD-Bauteile bestücken, dann reflowlöten

Quarz und Stiftleiste einsetzen

Die beiden Kapseln einsetzen

Die bedrahteten Bauteile löten

Den Nano verdrahten

Den Summer verdrahten

Die Werkbank mit Strom versorgen

„Ping und Ausgabe“ hochladen

„Einparkpiepser“ hochladen

„Ein Kissen anpingen“ hochladen

„Nichts in Reichweite“ hochladen

Vcc und Gnd vertauscht anschließenKaputt machen

Vcc vom 3V3-Pin des Nano versorgenKaputt machen

Den Empfänger abziehenKaputt machen

Eine kalte Lötstelle an Echo lassenKaputt machen

Das Timeout von pulseIn() vergessenKaputt machen

Vcc mit Gnd kurzschließenKaputt machen

Explosionsansicht

Absichtlich kaputt machen

Vcc verpolt

Nur 3,3 V an Vcc

Kein Empfänger

Kalte Lötstelle an Echo

pulseIn() ohne Timeout

Vcc mit Gnd kurzgeschlossen

Live-Status

Stromaufnahme

Teste dich selbst

Nach: Die bedrahteten Bauteile löten

Nach: „Einparkpiepser“ hochladen

Nach: Vcc mit Gnd kurzschließen

Abschlussquiz der Werkbank