Modul ultrazvočna sonda CS100A – Keyestudio SR01

Kako deluje ultrazvočni senzor?

Ultrazvočni senzorji delujejo po principu eholokacije – enako kot netopirji ali delfini. Oddajnik na modulu pošlje kratki impulz visokofrekvenčnega zvoka s frekvenco 40 kHz, ki je nad pragom človeškega sluha (nad 20 kHz). Ko zvočni val zadene oviro, se odbije nazaj proti sprejemniku na senzorju.

Senzor nato izmeri časovno razliko med oddanim in prejetim signalom. Ker poznamo hitrost zvoka v zraku (~340 m/s pri sobni temperaturi), lahko iz tega časa natančno izračunamo razdaljo do objekta. Celoten cikel – od prožilnega impulza do izračuna – traja le nekaj milisekund.

Trigger in Echo – tehnični cikel

Pri uporabi s krmilnikom, kot je Arduino, postopek poteka prek dveh digitalnih pinov:

1. Proženje (Trig pin): Mikrokrmilnik pošlje kratek TTL impulz (min. 10 µs) na Trig pin senzorja.
2. Ultrazvočni impulz: Senzor samodejno odda 8 zaporednih impulzov pri 40 kHz.
3. Sprejem odmeva (Echo pin): Echo pin preide v stanje HIGH za čas, ki ustreza poti zvočnega vala tja in nazaj.
4. Izračun: Z Arduino funkcijo pulseIn() izmerimo trajanje HIGH stanja v mikrosekundah in uporabimo formulo: razdalja (cm) = trajanje / 58.2

Keyestudio SR01 s čipom CS100A

Keyestudio SR01 V3 je ultrazvočni modul, ki uporablja čip CS100A. Njegova ključna prednost pred klasičnimi moduli: deluje na 3.3V in 5V brez potrebe po logičnih pretvornikih. To pomeni, da ga lahko neposredno priključite na Arduino Uno (5V), ESP32, Raspberry Pi Pico ali Raspberry Pi (3.3V GPIO).

Priključek je standardni 4-pinski header z 2.54 mm razmikom (VCC, Trig, Echo, GND) – enaka razporeditev kot pri priljubljenem HC-SR04. Zato ga lahko uporabite kot neposredno zamenjavo (drop-in replacement) v obstoječih projektih. Modul je na voljo v naši spletni trgovini: Ultrazvočna sonda CS100A – Keyestudio SR01.

Tehnične specifikacije

Prednosti ultrazvočnih senzorjev

• Neodvisnost od svetlobe: Za razliko od infrardečih senzorjev ultrazvočni senzorji ne uporabljajo svetlobe, zato jih ne moti sončna svetloba, reflektorji ali barva površine objekta.
• Brezkontaktno merjenje: Idealno za merjenje nivoja tekočin, razdalje do premikajočih se objektov ali zaznavanje prisotnosti brez fizičnega dotika.
• Visoka natančnost: Pri pravilni uporabi dosegajo natančnost do 3 mm v celotnem merilnem območju.

Omejitve in pasti, ki se jim je treba izogniti

1. Mrtva cona (blanking distance)

Vsak ultrazvočni senzor ima minimalno razdaljo, ki je ne more zaznati – pri SR01 je to manj kot 4 cm. Če je objekt bližje, meritev ni zanesljiva. Pri načrtovanju montaže vedno upoštevajte to omejitev.

2. Kot montaže – pravokotnost je ključna

Senzor mora biti usmerjen pravokotno (90°) na ciljno površino. Že nekaj stopinj odklona povzroči, da se zvočni val odbije stran od sprejemnika – rezultat so šibki odmevi, zgrešene meritve ali napačni podatki.

3. Mehki materiali

Trde površine (les, kovina, stena) zvok dobro odbijajo. Akustično mehki materiali – kot so tkanine, pena ali oblačila – pa zvok absorbirajo. Zaznavanje takih objektov je nezanesljivo ali nemogoče.

4. Ovire v zvočnem stožcu

Senzor potrebuje prost prostor med seboj in ciljnim objektom. Cevi, lestve, stene rezervoarjev ali turbulenca od polnilnih nastavkov lahko povzročijo lažne odmeve. Pri montaži na rezervoar se izogibajte centru kupolastih pokrovov (efekt paraboličnega zrcala) in bližini polnilnih odprtin.

5. Vpliv temperature

Hitrost zvoka se spreminja s temperaturo. Standardna formula predpostavlja sobno temperaturo (~20 °C). Za natančnejše meritve na prostem dodajte temperaturni senzor in hitrost zvoka izračunajte dinamično: v = 331.3 + 0.606 × T(°C).

Programski nasvet: pozor pri knjižnici NewPing

Knjižnica NewPing je priljubljena izbira za upravljanje ultrazvočnih senzorjev v Arduino IDE. Vendar bodite pozorni: NewPing interno uporablja Timer2, ki ga uporablja tudi funkcija tone() za generiranje zvoka na piezo piščalkah. Če v istem projektu uporabljate ultrazvočni senzor in buzzer, lahko pride do konfliktov – meritve postanejo nestabilne ali buzzer preneha delovati.

Rešitev: Uporabite ročno proženje prek pulseIn() (kot v zgornjem primeru) ali pa uporabite programski PWM za buzzer namesto funkcije tone().

Primeri uporabe

• Merjenje razdalje za izogibanje oviram pri robotih
• Merjenje nivoja vode ali tekočine v posodah in rezervoarjih
• DIY parkirni senzor za garažo
• Avtomatsko prižiganje luči ob zaznavi prisotnosti
• Projekti za Arduino učilnico in delavnice
• Industrialni sistemi: sonar, nedestruktivno testiranje materialov

Modul ultrazvočna sonda CS100A Keyestudio uporaba

Kompatibilnost

• Arduino Uno, Mega, Nano in ostale 5V plošče
• ESP32, ESP8266, Raspberry Pi Pico (3.3V) – neposredna priključitev
• Raspberry Pi (3.3V GPIO) – neposredna priključitev
• Arduino IDE, MicroPython, CircuitPython

Zaključek

Ultrazvočni modul Keyestudio SR01 s čipom CS100A je zanesljiva in cenovno dostopna rešitev za merjenje razdalje v Arduino in ESP projektih. Dvojna napetostna kompatibilnost (3.3V/5V), standardni pinout in doseg do 3 metrov ga naredijo uporabnega tako za začetniške projekte kot za resnejše aplikacije. Ključ do natančnih meritev je pravilna montaža in razumevanje fizikalnih omejitev ultrazvoka.

YouTube