ค้นหาบทความที่นี่

บทความทั้งหมด

[Tutorial] การใช้งาน HC-SR04 Ultrasonic Module

6 ปีที่ผ่านมา

โดย เจ้าของร้าน

HC-SR04 เป็นโมดูลสำหรับใช้หาระยะห่างของวัดถุกับตัวเซ็นเซอร์ อาศัยการทำงานของคลื่นเสียงที่ความถี่ 40kHz (40,000Hz) ซึ่งจัดอยู่ในย่าน Ultrasonic (ความถี่สูงกว่าที่หูมนุษย์จะสามารถได้ยิน) โมดูลตัวนี้เป็นโมดูลยอดนิยมอีกตัวที่นำไปใช้ในโปรเจคหาระยะห่างของวัตถุ ไม่บรรทัดดิจิตอล หรือใช้ในโครงงานหุ่นยนต์ต่างๆ

คุณสมบัติของโมดูล

แรงดันที่ใช้ในการทำงาน	5V
กระแสไฟฟ้าที่ใช้	15mA
คลื่นความถี่ในการทำงาน	40kHz
ระยะสูงสุดที่สามารถวัดได้	4 m (400 cm)
ระยะต่ำสุดที่สามารถวัดได้	0.02 m (2 cm)
ความแม่นยำ	±3mm
องศาในการวัด	15 องศา
Trigger Input Signal	10us TTL Pulse

ซื้อสินค้า HC-SR04 คลิกที่นี่

หลักการทำงานและทฤษฎีทางฟิสิกส์
จากที่กล่าวไว้ว่าโมดูลตัวนี้ทำงานโดยใช้คลื่นเสียง เราจึงนำหลักการทางฟิสิกส์มาประยุกต์ใช้งาน โดยคลื่นเสียงในอากาศสามารถเดินทางได้ 343 เมตร/วินาที (ที่อุณหภูมิ 20 องศาเซลเซียส & เพื่อความสะดวกและง่ายของการคำนวณในที่นี้จึงขอใช้ 340 เมตร/วินาที) เมื่อรู้ความเร็วของเสียงแล้ว เราปล่อยคลื่นเสียงเป็นช่วงสั้นๆ แล้วจับเวลารอให้คลื่นไปกระทบวัตถุแล้วเดินทางกลับมา เมื่อได้เวลาแล้วก็สามารถคำนวณหาระยะกระจัด (คือระยะทางที่สั้นที่สุดโดยการลากเป็นเส้นตรง ซึ่งก็คือระยะห่างของวัตถุนั่นเอง)ได้ จากสูตร

เมื่อกำหนดให้ s คือ ระยะทางระหว่างวัตถุ
v คือ ความเร็ว
t คือ เวลาที่ใช้ในการเดินทาง

แต่เนื่องจากเรารู้ค่าความเร็วของเสียงคือ 340 เมตร/วินาที หรือแปลงหน่วยได้ 0.034 เซนติเมตร/ไมโครวินาที จึงนำไปแทนค่า v จะได้สูตรว่า

เมื่อปล่อยลูกคลื่นออกไป จับเวลาที่คลื่นเดินทางออกจนกลับมากระทบตัวรับ(ใช้หน่วยไมโครวินาที) จะได้เวลานำไปแทนตัวแปร t ก็จะทำการคำนวณหา s คือระยะทางที่เสียงเดินทาง ซึ่งเท่ากับระยะกระจัด(ระยะห่าง) แต่เนื่องจากเวลาที่เราได้มาเป็นเวลาที่คลื่นเสียงเดินทางออกไปรวมกับเวลาที่สะท้อนและเดินทางกลับมา เราอยากได้ระยะห่างคือเฉพาะที่เดินทางออกไปชนวัตถุเท่านั้น จึงต้องนำระยะทางมาหารด้วย 2 จึงได้สูตรสุดท้ายคือ

เป็นสูตรที่เราจะใช้มาหาระยะห่างของวัตถุ โดยจะมีหน่วยออกมาเป็นเซนติเมตร (cm)

การเชื่อมต่อและการเขียนโปรแกรม Arduino
การต่อโมดูลเข้ากับบอร์ด Arduino ก็ทำได้ง่ายๆ เพียงแค่ต่อ VCC กับไฟ 5V และ GND กับ GND ส่วน trig กับ echo ก็ต่อกับขา 9 และ 10 ตามลำดับ (สามารถต่อกับ Digital Pin อื่นๆก็ได้ แต่ในที่นี้ยกตัวอย่าง 9 และ 10)

การเขียนโปรแกรมเพื่อใช้งาน HC-SR04 นั้นเราสามารถใช้โค้ดพื้นฐาน ไม่ต้องใช้ Library ใดๆ มีขั้นตอนง่ายๆในการเขียนคือ สั่งให้ Trigger ปล่อยลูกคลื่น -> เริ่มจับเวลาและสั่งให้ Echo คอยรับคลื่นที่สะท้อนกลับมา -> เมื่อมีคลื่นมากระทบ Echo นำเวลาที่ได้ไปคำนวณหาระยะทาง

เพียงเท่านี้เราก็สามารถใช้งานโมดูล HC-SR04 ได้แล้ว และนำไปประยุกต์ใช้ได้อีกมากมายโดยปรับเปลี่ยนโค้ดเพียงเล็กน้อยเท่านั้น ทั้งนี้ปัจจัยที่ส่งผลให้เกิดข้อผิดพลาดคืออุณหภูมิในอากาศ และการใช้ในตัวนำอื่นๆที่ไม่ใช่อากาศ เช่น ในน้ำ ซึ่งจะส่งผลให้ความเร็วของเสียงที่เดินทางได้เปลี่ยนไป ทำให้ค่าที่คำนวณได้มีความคลาดเคลื่อนไปมากน้อยขึ้นอยู่กับปัจจัยเหล่านี้

ดาวน์โหลดโค้ดตัวอย่างของบทความนี้

Arduino, HC-SR04, ultrasonic, distance, Sensor