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Ultraschall-Sensor

Projekt I02 - Entfernung messen mit Schallwellen

Intermediate

HC-SR04

Ultraschall

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Lernziele

Was du lernst

Trigger-Signal senden - 10us Ultraschall-Impuls aussenden
Echo-Messung - Laufzeit des reflektierten Signals messen
pulseIn() Funktion - Pulsdauer in Mikrosekunden erfassen
Entfernung berechnen - Schallgeschwindigkeit und Weg-Zeit-Formel

Voraussetzungen

Grundlagen der digitalen Ein-/Ausgabe, Verstaendnis von Funktionen und Variablen

Komponenten

Was du brauchst

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HC-SR04 Ultraschall-Sensor

Sendet Ultraschall-Impulse (40kHz) und misst die Zeit bis zum Echo. Damit laesst sich die Entfernung zu Objekten bestimmen.

Messbereich: 2cm - 400cm

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Die 4 Pins

VCC - Stromversorgung (5V)
TRIG - Trigger-Eingang (Pin 6)
ECHO - Echo-Ausgang (Pin 7)
GND - Masse

Hinweis

Der HC-SR04 arbeitet mit 5V-Logik und ist perfekt fuer den Arduino Uno geeignet. Keine zusaetzlichen Bauteile noetig!

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Theorie

Wie funktioniert der Sensor?

Das Prinzip

Trigger-Puls loest Ultraschall aus
Schall breitet sich aus (343 m/s)
Schall trifft auf Objekt und wird reflektiert
Echo wird vom Sensor empfangen

Die Berechnung

Schallgeschwindigkeit: 343 m/s = 0.0343 cm/us

Das sind 29.1 us pro cm

Entfernung = (Zeit / 2) / 29.1

Zeitdiagramm

  TRIGGER:
  ───┐     ┌───────────
     │     │
     └─────┘ (10us Puls)

  ECHO:
  ───────┐           ┌───
         │           │
         └───────────┘
         |<-- Zeit -->|

  Zeit = Hin + Zurueck
  → Teilen durch 2!

Messbereich: 2cm bis 400cm

Genauigkeit: ca. 3mm

Schaltplan

Verbindungen zum Arduino

Wokwi-Aufbau

     Arduino Uno          HC-SR04
    ┌───────────┐      ┌──────────┐
    │           │      │  ┌──┐    │
    │  5V ──────┼──────┼─ VCC     │
    │           │      │          │
    │  Pin 6 ───┼──────┼─ TRIG    │
    │           │      │          │
    │  Pin 7 ───┼──────┼─ ECHO    │
    │           │      │          │
    │  GND ─────┼──────┼─ GND     │
    │           │      │  └──┘    │
    └───────────┘      └──────────┘

Verbindungen

VCC → Arduino 5V
TRIG → Arduino Pin 6
ECHO → Arduino Pin 7
GND → Arduino GND

In Wokwi

Suche nach "ultrasonic"
Waehle HC-SR04
Verbinde die 4 Pins

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Code

Schritt 1: Pin-Setup

// Schritt 1: Pin-Definitionen und Setup

#define TRIGGER_PIN 6  // Trigger an Pin 6
#define ECHO_PIN 7     // Echo an Pin 7

void setup() {
  Serial.begin(9600);

  // Trigger ist Ausgang (wir senden)
  pinMode(TRIGGER_PIN, OUTPUT);

  // Echo ist Eingang (wir empfangen)
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);

  Serial.println("HC-SR04 Ultraschall-Sensor");
}

void loop() {
  // Noch leer
}

Erklaerung

#define - Konstante ohne Speicher
TRIGGER ist OUTPUT (senden)
ECHO ist INPUT (empfangen)

Warum #define?

Praeprozessor ersetzt den Text vor dem Kompilieren. Spart Speicher im Vergleich zu const int.

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Code

Schritt 2: Trigger-Signal senden

// Schritt 2: Trigger-Signal erzeugen

float measureDistance() {
  // Trigger auf LOW setzen (sauberer Start)
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);

  // 10 Mikrosekunden HIGH-Puls senden
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, LOW);

  // Echo messen (kommt als naechstes...)
  return 0;
}

Das Trigger-Signal

Der HC-SR04 benoetigt einen 10 Mikrosekunden langen HIGH-Puls am TRIG-Pin. Danach sendet er automatisch 8 Ultraschall-Impulse bei 40kHz aus.

delayMicroseconds()

delay() arbeitet in Millisekunden (1/1000 Sekunde). delayMicroseconds() arbeitet in Mikrosekunden (1/1.000.000 Sekunde) - viel praeziser!

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Code

Schritt 3: Echo messen und berechnen

// Schritt 3: Echo-Dauer messen und Entfernung berechnen

float measureDistance() {
  // Trigger-Signal senden
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, LOW);

  // Echo-Puls messen (Timeout: 30ms = ca. 5m)
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000);

  if (duration == 0) {
    return -1;  // Timeout oder Fehler
  }

  // Entfernung = (Zeit / 2) / 29.1 us/cm
  float distance = (duration / 2.0) / 29.1;
  return distance;
}

pulseIn() erklaert

Pin - Welcher Pin wird gemessen
HIGH - Warte auf HIGH, miss Dauer
30000 - Timeout in Mikrosekunden

Die Formel

Schall braucht 29.1us pro cm. Die gemessene Zeit ist Hin + Zurueck, daher teilen wir durch 2.

3

Code

Fertiger Code

// I02: HC-SR04 Ultraschall-Entfernungsmesser
#define TRIGGER_PIN 6
#define ECHO_PIN 7

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIGGER_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
  Serial.println("HC-SR04 Ultraschall-Sensor");
}

float measureDistance() {
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(TRIGGER_PIN, LOW);
  long duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000);
  if (duration == 0) return -1;
  return (duration / 2.0) / 29.1;
}

void loop() {
  float dist = measureDistance();
  if (dist > 0) {
    Serial.print("Entfernung: ");
    Serial.print(dist, 1);
    Serial.println(" cm");
  } else {
    Serial.println("Messfehler");
  }
  delay(500);
}

Ausprobieren

Simulation in Wokwi

Wokwi Projekt

Erstelle ein neues Projekt mit Arduino Uno:

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So testest du

Fuege einen HC-SR04 Sensor hinzu (suche nach "ultrasonic")
Verbinde VCC→5V, GND→GND, TRIG→Pin 6, ECHO→Pin 7
Kopiere den Code in die sketch.ino
Klicke auf Play und beobachte den Serial Monitor!
In Wokwi: Klicke auf den Sensor und ziehe den Abstandsregler

4

Challenges

Erweiterungen

Probiere diese Aufgaben aus

💡

Challenge 1: Warn-LED

Fuege eine LED hinzu, die bei Entfernung unter 20cm leuchtet.

🔊

Challenge 2: Piezo-Warnung

Ein Buzzer piept schneller, je naeher ein Objekt kommt (wie ein Einparksensor).

📊

Challenge 3: Mittelwert

Miss 5x und berechne den Durchschnitt fuer stabilere Werte.

🚦

Challenge 4: Ampel

3 LEDs (gruen/gelb/rot) zeigen Entfernungszonen an: >50cm, 20-50cm, <20cm.

📏

Geschafft!

Du kannst jetzt Entfernungen messen

✅

Trigger-Signal

10us Puls zum Sensor senden

✅

pulseIn()

Echo-Dauer in Mikrosekunden

✅

Berechnung

Schallgeschwindigkeit 343 m/s

Naechstes Projekt

I03: Servo-Motor - Praezise Winkelsteuerung mit PWM