Anleitung zum Ultraschallsensor HC-SR04: Funktionsweise und Verwendung

Der Ultraschallsensor HC-SR04 ist ein Abstandsmessmodul in der Elektronik, das für seine Einfachheit, Erschwinglichkeit und zuverlässige Leistung bekannt ist.In diesem Artikel wird der Ultraschallsensor HC-SR04 im Detail besprochen, einschließlich seines Funktionsprinzips, seiner Verwendung, Pinbelegung, Spezifikationen und mehr.

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Was ist der Ultraschallsensor HC-SR04?

Die HC-SR04 Der Ultraschallsensor ist ein kostengünstiges Entfernungsmessmodul, das Ultraschallwellen verwendet, um Objekte ohne physischen Kontakt zu erkennen.Es sendet einen kurzen Ultraschallimpuls und misst die Zeit, die das Echo benötigt, um zurückzukehren. Dies ermöglicht eine genaue Entfernungsberechnung auch in dunklen oder staubigen Umgebungen.

Dieses Modul arbeitet normalerweise mit 5 V und verfügt über vier Pins: VCC, Trig, Echo und GND, wodurch es einfach an Mikrocontroller wie Arduino und ähnliche Entwicklungsplatinen angeschlossen werden kann.Mit einem Messbereich von etwa 2 cm bis 400 cm und stabiler Leistung wird es häufig in der Robotik, Hindernisvermeidung, Füllstandmessung und grundlegenden Automatisierungsprojekten eingesetzt.

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Details zur Pinbelegung des Ultraschallsensors HC-SR04

Pin Nummer	Pin Name	Beschreibung
1	VCC	Liefert Strom zum Modul.Für den ordnungsgemäßen Betrieb ist normalerweise ein 5-V-Gleichstromeingang erforderlich.
2	Trig	Triggereingang Stift.Ein vom Mikrocontroller gesendeter kurzer HIGH-Impuls (normalerweise 10 µs) startet die Ultraschall-Abstandsmessung.
3	Echo	Geben Sie den Pin aus sendet einen Impuls zurück an die Steuerung.Die Impulsbreite repräsentiert die Zeit wird für die Rückkehr der Ultraschallwelle benötigt, die zur Berechnung der Entfernung verwendet wird.
4	GND	Erdungsstift. Wird mit der Masse des Netzteils oder Mikrocontrollers verbunden.

Alternativen und gleichwertiges Modell

Sensor Modell	Sensor Typ	Typisch Reichweite	Notizen
JSN-SR04T	Ultraschall (Wasserdicht)	20 cm – 600 cm	Wasserdicht Sonde, geeignet für die Außen- oder Flüssigkeitsstandmessung
HY-SRF05	Ultraschall	2 cm – 450 cm	Verbesserte Version von HC-SR04 mit besserer Stabilität
Parallaxe PING)))	Ultraschall	2 cm – 300 cm	Hochwertig Ultraschallsensor, Single-Pin-Steuerung
URM37	Ultraschall	4 cm – 500 cm	Industrietauglich Ultraschallmodul mit seriellem Ausgang
Scharf GP2Y0A21YK0F	IR-Analog Abstandssensor	10 cm – 80 cm	Analoger Ausgang, gut für den Innenbereich mit kurzer Reichweite
Scharf GP2Y0A02YK0F	IR-Analog Abstandssensor	20 cm – 150 cm	IR mit größerer Reichweite Entfernungsmessung
VL53L0X	Flugzeit (Laser)	Bis 200 cm	Hochpräzise digitaler Abstandssensor (I²C)
E18-D80NK	IR-Nähe Sensor	3 cm – 80 cm	Einstellbar Digitaler Ausgang, einfache Hinderniserkennung

Technische Daten des HC-SR04

Parameter	Spezifikation
Produktmodell	HC-SR04 Ultraschallsensor
Sensortyp	Ultraschall Entfernungsmessmodul
Betrieb Spannung	5 V Gleichstrom
Betrieb Aktuell	< 15 mA
Ultraschall Häufigkeit	40 kHz
Triggerimpuls Breite	≥ 10 µs
Echosignal	TTL-Impulsausgang (5 V)
Messen Entfernung (theoretisch)	2 cm – 400 cm
Messen Entfernung (praktisch)	2 cm – 80 cm
Entfernung Auflösung	~3mm
Winkel messen	< 15°
Schnittstellentyp	Digital (Trig & Echo-Pins)
Reaktionszeit	~60 ms
Genauigkeit	±3 mm
Betrieb Temperatur	0 °C bis +70 °C
Lagerung Temperatur	−40 °C bis +85 °C
PCB-Abmessungen	~45 × 20 × 15 mm
Befestigungslöcher	Ja (2 Löcher)
Gewicht	~9 g
Kompatibilität	Arduino, ESP8266, ESP32, STM32, Raspberry Pi (mit Level-Shifting)

Merkmale und Vorteile

• Berührungslose Ultraschall-Abstandsmessung

• Betrieb mit 5 V DC

• Messbereich von 2 cm bis 400 cm

• Hohe Distanzauflösung (~3 mm)

• Enger Messwinkel (<15°)

• Verwendet eine Ultraschallfrequenz von 40 kHz

• Einfache 4-Pin-Schnittstelle (VCC, Trig, Echo, GND)

• Digitaler TTL-Impulsausgang

• Einfache Integration mit Mikrocontrollern

• Kompaktes und leichtes Modul

• Genaue Distanzmessung zu geringen Kosten

• Funktioniert zuverlässig in Umgebungen mit wenig Licht oder Dunkelheit

• Kein physischer Kontakt, wodurch Verschleiß und Schäden reduziert werden

• Einfache Verkabelung und Steuerlogik

• Umfangreich unterstützt mit Bibliotheken und Beispielen

• Geeignet für Einsteiger und Bildungsprojekte

• Geringer Stromverbrauch

• Leicht austauschbar und überall verfügbar

• Für den Grundgebrauch ist nur eine minimale Kalibrierung erforderlich

HC-SR04 Timing-Diagramm

Das Zeitdiagramm des Ultraschallsensors HC-SR04 zeigt die genaue Abfolge der Signale, die zur Durchführung einer Abstandsmessung verwendet werden.Der Prozess beginnt, wenn der Mikrocontroller einen kurzen HIGH-Impuls, typischerweise 10 Mikrosekunden, an den Trig-Pin sendet.Dieses Auslösesignal weist den Sensor an, einen neuen Entfernungsmesszyklus zu starten, und bereitet die internen Schaltkreise auf die Übertragung von Ultraschallwellen vor.

Nach Empfang des Triggerimpulses erzeugt der Sensor einen Ultraschallimpuls, der aus mehreren Zyklen mit einer Frequenz von etwa 40 kHz besteht.Diese Schallwellen werden vom Sender ausgesendet und wandern durch die Luft auf das Zielobjekt zu.Während dieser Zeit wartet der Sensor auf die Rückkehr des reflektierten Schalls und gibt noch kein Entfernungssignal aus.

Sobald die Ultraschallwellen auf ein Objekt treffen und zurückprallen, erkennt der Sensor das Echo und setzt den Echo-Pin auf HIGH.Die Dauer dieses HIGH-Impulses stellt die Gesamtzeit dar, die der Schall benötigt, um vom Sensor zum Objekt und wieder zurück zu gelangen.Je weiter das Objekt entfernt ist, desto länger bleibt der Echoimpuls HIGH.

Durch die Messung der Breite des Echoimpulses kann der Mikrocontroller anhand der bekannten Schallgeschwindigkeit die Entfernung berechnen.Eine kurze Verzögerung zwischen den Messungen wird empfohlen, um Signalüberlappungen zu vermeiden und stabile, genaue Messwerte zu gewährleisten.

Arbeitsbetrieb und Nutzung

Der Ultraschallsensor HC-SR04 misst Entfernungen durch Senden und Empfangen von Ultraschallwellen.Wenn ein Mikrocontroller einen kurzen Impuls an den Trig-Pin sendet, aktiviert der Sensor seinen Sender und sendet einen kurzen Ultraschallstoß mit etwa 40 kHz aus.Diese Schallwellen wandern durch die Luft, bis sie auf ein Objekt treffen und dort zurück zum Sensor reflektiert werden.

Die zurückkehrenden Schallwellen werden vom Empfänger des Sensors über den Echo-Pin erfasst.Der Sensor gibt dann ein Signal aus, dessen Dauer die Gesamtzeit darstellt, die der Schall benötigt, um zum Objekt zu gelangen und zurückzukehren.Da die Schallgeschwindigkeit in der Luft bekannt ist, kann der Mikrocontroller die Entfernung berechnen, indem er diesen Zeitwert verarbeitet und ihn durch zwei dividiert, um den Hin- und Rückweg zu berücksichtigen.

Um den HC-SR04 zu verwenden, stellen Sie eine stabile 5-V-Stromquelle bereit und verbinden Sie die Trig- und Echo-Pins mit den digitalen I/O-Pins am Mikrocontroller.Durch wiederholtes Senden von Triggerimpulsen und Messen der Echoantwort in der Software kann der Sensor kontinuierliche und zuverlässige Entfernungsmessungen für Echtzeitanwendungen liefern.

HC-SR04 Ultraschallsensoranwendungen

• Hinderniserkennung und -vermeidung bei Robotern

• Entfernungsmessung in Heimwerker- und Bildungsprojekten

• Objekterkennung in Automatisierungssystemen

• Wasser- oder Flüssigkeitsstandüberwachung (berührungslos)

• Prototypen für Einparkhilfe und Annäherungssensorik

• Intelligente Mülleimer und automatisches Deckelsystem

• Sicherheits- und Einbruchserkennungs-Setups

• Industrielle Positions- und Abstandsmessung

• Interaktive Elektronik- und IoT-Projekte

• Bewegungsbasierte Auslösesysteme

Vergleich zwischen HC-SR04 und HY-SRF05

Spezifikation	HC-SR04	HY-SRF05
Sensortyp	Ultraschall Abstandssensor	Ultraschall Abstandssensor
Betrieb Spannung	5 V Gleichstrom	5 V Gleichstrom
Betrieb Aktuell	<15 mA	<15 mA
Ultraschall Häufigkeit	≈40 kHz	≈40 kHz
Messbereich	2 cm – 400 cm	2 cm – 450 cm
Praktische Reichweite	2 cm – 80 cm (stabiler)	Erweiterter Stall Bereich
Entfernung Auflösung	~3mm	~3mm
Winkel messen	<15°	<15°
Pins / Schnittstelle	4-polig (VCC, Trig, Echo, GND)	4-polig (VCC, Trig, Echo, GND)
Triggereingang	10 µs Impuls	10 µs Impuls
Echo-Ausgabe	TTL-Impuls	TTL-Impuls
Reaktionszeit	~60 ms	~60 ms
Temperatur Reichweite	0 °C – +70 °C	0 °C – +70 °C
Abmessungen	~45 × 20 × 15 mm	~45 × 20 × 15 mm
Gewicht	~9 g	~9 g
Kompatibilität	Arduino, ESP32, Raspberry Pi	Arduino, ESP32, Raspberry Pi
Besondere Hinweise	Am häufigsten verwendet Einsteigermodul	Verbesserte Reichweite, höhere Echozuverlässigkeit
Am besten für	Budgetprojekte, Bildung	Projekte erfordern einen größeren Erfassungsbereich

Mechanische Abmessungen

Fazit

Das einfache Funktionsprinzip, das klare Zeitverhalten und die einfache Integration mit Mikrocontrollern machen den Ultraschallsensor HC-SR04 zu einer zuverlässigen Wahl für Hinderniserkennung, Füllstandmessung und Automatisierungssysteme.Wenn Sie seine Funktionen, technischen Spezifikationen, seine Funktionsweise und seinen Vergleich mit ähnlichen Sensoren wie dem HY-SRF05 verstehen, können Sie den HC-SR04 sicher für Ihre spezifischen Anforderungen auswählen und einsetzen.

Datenblatt PDF

HC-SR04 Datenblatt:

Häufig gestellte Fragen [FAQ]

1. Kann der Ultraschallsensor HC-SR04 im Freien eingesetzt werden?

Der HC-SR04 ist hauptsächlich für den Innenbereich konzipiert.Die Leistung im Freien kann durch Regen, Wind, Temperaturschwankungen und Feuchtigkeit beeinträchtigt werden.

2. Funktioniert der HC-SR04 mit ESP32- oder ESP8266-Boards?

Ja, aber ein Spannungsteiler oder Pegelumsetzer ist erforderlich, da der Echo-Pin 5 V ausgibt, was 3,3-V-Mikrocontroller beschädigen kann.

3. Was beeinflusst die Genauigkeit des HC-SR04-Sensors?

Die Genauigkeit kann durch Objektform, Oberflächenbeschaffenheit, Winkel, Temperatur und Umgebungsgeräusche beeinträchtigt werden.

4. Kann der HC-SR04 weiche oder eckige Objekte erkennen?

Weiche Materialien und schräge Oberflächen können Schallwellen absorbieren oder ablenken und so die Erkennungssicherheit verringern.

5. Wie oft kann der HC-SR04 Entfernungsmessungen durchführen?

Es wird empfohlen, zwischen den Messungen mindestens 60 ms zu warten, um Echostörungen zu vermeiden.

6. Warum gibt der HC-SR04 manchmal Null oder falsche Messwerte zurück?

Dies geschieht normalerweise aufgrund von Signalüberlappungen, falscher Verkabelung, instabiler Stromversorgung oder Objekten außerhalb der effektiven Reichweite.

7. Können mehrere HC-SR04-Sensoren zusammen verwendet werden?

Ja, aber sie sollten einzeln ausgelöst werden, um Störungen des Ultraschallsignals zu vermeiden.