Sensor ultrasónico, midiendo la distancia en un sistema de aparcamiento Deja un comentario

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El sensor ultrasónico Arduino nos permite medir distancias a través de los ultrasonidos. Si ya tienes un kit seguramente tengas este tipo de sensor. En este tutorial te voy a enseñar cómo puedes construir un sistema de aparcamiento asistido.

Es muy común encontrar este tipo de sensores en los coches actuales. El objetivo es mostrar cómo podemos construir sistemas reales con esta placa de prototipado. Te explicaré el conexionado de los componentes y el código necesario para hacerlo funcionar.

Cómo funciona el sensor ultrasónico Arduino

Para medir distancias con Arduino podemos hacerlo de diferentes maneras. Existen el sensor de infrarrojos, que utilizan las propiedades de la luz para calcular la distancia, y el sensor ultrasónico Arduino utiliza las propiedades de propagación del sonido para medir distancias. Más concreto utiliza los ultrasonidos. Este tipo de ondas sonoras se encuentran por encima del espectro audible por los seres humanos.

Espectro sonoro

El funcionamiento es muy sencillo. El sensor envía una onda ultrasónica a través del disparador o trigger, revota contra el objeto y el receptor o echo detecta la onda. Sabiendo cuánto ha tardado en viajar dicha onda, podemos saber la distancia.

sensor ultrasonidos

Solo hace falta utilizar la famosa fórmula de la velocidad que aprendimos en el colegio.

v = frac{s}{t}

Donde s es el espacio y t es el tiempo. Si despejamos es espacio que es lo que necesitamos saber, nos quedaría de la siguiente manera.

s = v times t

La velocidad es conocida, el sonido viaja a 343 metros por segundo. El tiempo nos lo devolverá el propio sensor ultrasónico Arduino a través de la API de Arduino. Con todo esto ya podemos calcular a qué distancia se encuentra un objeto.

 La velocidad del sonido es 343 m/s a una temperatura de 20ºC. La velocidad aumenta o disminuye 0,6 m/s por grado centígrado. Podemos ser más exactos si utilizamos un sensor de temperatura como el LM35.

El zumbador o buzzer Arduino

Para simular correctamente el sensor de distancia vamos a utilizar un buzzer Arduino. Estos componentes utilizan la piezoelectricidad, un fenómeno físico que afecta en determinados cristales (el cuarzo es el más común). Al someter un cristal de este tipo, se deforman y vibran. Si conseguimos que esa vibración tenga una frecuencia dentro del espectro audible, conseguiremos un sonido.

Buzzer Arduino

Por lo tanto, es importante conocer las frecuencias del espectro audible. No vamos a ver una masterclass sobre este tipo de señales, solo debemos quedarnos con el rango de frecuencias va de 20 Hz (hercios) a 20 kHz (kilohercio).

Espectro audible

Cerca de los 20 Hz el sonido es muy grabe. Cuando vamos subiendo de frecuencia, el sonido se va haciendo cada vez más agudo. Esto nos servirá para alertar de que nos estamos acercando a un obstáculo al aparcar.

Tampoco podemos esperar un sistema de alta fidelidad con un buzzer Arduino, pero nos da la posibilidad de generar tonos audibles para alarmas e incluso alguna melodía musical fácilmente reconocible.

Sistema de alerta con LEDs

Por último, incorporamos el sistema de alerta visual para el sensor ultrasónico Arduino. Esto nos permite visualizar si estamos cerca o lejos de un obstáculo. Con 3 LEDs (verde, amarillo y rojo) conseguimos determinar si estamos lejos, cerca o en zona de peligro.

Componentes necesarios

Ya hemos visto una breve explicación de lo que vamos a necesitar. La siguiente lista te muestra todo el material necesario.

  • Arduino UNO
  • Protoboard donde conectaremos los componentes
  • Cables para hacer las conexiones
  • 3 resistencias de 220 Ω
  • 1 LED verde
  • 1 LED amarillo
  • 1 LED rojo
  • 1 sensor ultrasónico Arduino (HC-SR04)
  • 1 buzzer

Sensor ultrasónico, montando el circuito

Se trata de un circuito muy sencillo. Por un lado vamos a tener toda la parte de alertas, acústica y visual, y por otra parte el sensor de ultrasonidos. En el siguiente esquema te muestro el conexionado.

Sensor aparcamiento asistido

Cosas a tener en cuenta. Las resistencias son de 220 Ω y se colocan en serie con los LEDs. El sensor ultrasónico Arduino se conecta a dos pines digitales, uno para el trigger o disparador y otro para el echo o receptor. El buzzer Arduino se conecta a una salida PWM.

Intenta poner el sensor ultrasónico Arduino lo más al borde posible de la protoboard.

Programando el sensor ultrasónico Arduino para medir distancia

Vamos a empezar por la programación. Lo primero es una breve descripción de lo que queremos conseguir. Esto nos ayudará a plantear el problema general y posteriormente dividirlo en trozos más pequeños. A esto se le llama pensamiento computacional y si eres usuario asiduo de este blog, ya estarás familiarizado con este concepto.

El sistema de aparcamiento consiste en detectar un objeto a través del sensor ultrasónico y avisar con señales de luz y sonido. Por lo tanto, ya tenemos la primera división, detectar el obstáculo y alertas con sonido y luces.

Lo primero que haré será plantear el algoritmo del sistema de detección de obstáculos.

  1. Comprobar la distancia de los objetos
    1. ¿Está dentro del rango para avisar?
      1. Si
        1. Lanzar alarma visual y sonora
        2. Continuar
      2. No
        1. Continuar

El algoritmo del sistema de alerta visual y sonora sería el siguiente.

  1. ¿Está en zona verde?
    1. Si
      1. Encender LED verde
      2. Emitir sonido 1
      3. Salir
    2. No
      1. Continuar
  2. ¿Está en zona amarilla?
    1. Si
      1. Encender LED amarillo
      2. Emitir sonido 2
      3. Salir
    2. No
      1. Continuar
  3. ¿Está en zona roja?
    1. Si
      1. Encender LED rojo
      2. Emitir sonido 2
      3. Salir
    2. No
      1. Continuar

De los dos algoritmos anteriores, deducimos que vamos a necesitar varios umbrales de decisión, uno para cada situación. Podemos coger una simple regla y determinarlos.

  • Umbral 1: está en zona verde desde 30 cm a 20 cm.
  • Umbral 2: está en zona amarilla, desde 20 cm a 10 cm.
  • Umbral 3: está en zona roja, menos de 10 cm.

Variables y constantes

A través del sensor de ultrasonidos vamos a detectar el obstáculo. Comenzamos a programar declarando las variables y constantes. Siempre que trabajemos con pines digitales o analógicos, es una buena práctica declarar una constante por cada uno de ellos.

Definimos los pines para los LEDs, para el sensor de ultrasonidos y para el buzzer Arduino. Siempre debemos fijarnos en el esquema eléctrico mostrado anteriormente. Luego declaramos 4 constantes. La primera es la velocidad del sonido convirtiendo de metros por segundo a centímetros por segundo. Esto lo hacemos multiplicando por 100. Las siguientes constantes son los umbrales de decisión que hemos marcado antes.

Función setup

En la función setup iniciamos el monitor serie y ponemos los pines en el modo correspondiente. Los LEDs, el Trigger del sensor de ultrasonidos y el buzzer son en modo salida (OUTPUT). El pin Echo del sensor ultrasónico en modo entrada (INPUT).

Por último vamos a empezar desde un estado conocido, todos los LEDs apagados. He creado una función para realizar esta tarea.

Las funciones son muy útiles por dos razones, nos permiten ordenar el código para que sea más legible y también reutilizar el código. En este caso vamos a necesitar apagar todos los LEDs más de una vez y es más fácil escribir una llamada a una función con una línea de código que hacer las 3 llamadas a la función digitalWrite para apagar cada LED.

Función Loop

La función loop() contiene el código que se repetirá una y otra vez. Aquí es donde vamos a ir poniendo todo nuestro algoritmo, el que hemos detallado anteriormente. He dividido esta función en varias funciones para hacer el código más legible.

A continuación te describo cada una de las funciones que ejecutamos en el loop().

Iniciar sensor ultrasónico

Lo primero que hacemos es preparar el sensor de ultrasonidos. Esto lo hacemos con la función iniciarTrigger() que manda un pulso. Comienza en estado bajo durante 2 milisegundos, luego 10 milisegundos estado alto y por último ponemos en estado bajo. Esto indica que a continuación se mandará la señal para que la capte el echo.

Calcular la distancia de los objetos

Una vez que está preparado el sensor, ya podemos utilizarlo para calcular la distancia. Eso lo hacemos con la función calcularDistancia(). Es una función particular ya que nos va a devolver un valor. Eso se hace poniendo al final (o donde quieras) la palabra reservada return seguido del valor que quieres devolver. Todo el código que haya por debajo del return no se ejecuta así que precaución. En este caso yo devuelvo la distancia calculada dentro de la función que es una variable del tipo float.

Para calcular el tiempo se utiliza la función nativa de Arduino pulseIn. Esta función nos devuelve el tiempo transcurrido hasta que cambia de estado. Anteriormente hemos preparado el sensor dejando el pin, donde tenemos conectado el trigger, en estado bajo. Cuando la onda ultrasónica viaja por el aire, rebota en el objeto y es detectada por el echo, el pin cambia de estado a alto (HIGH).

La función pulseIn detecta eso precisamente, y devuelve el tiempo transcurrido en microsegundos. Por este motivo se debe convertir a segundos multiplicando por 0,000001 que es lo mismo que dividir por 1.000.000. Con esta información ya podemos aplicar la fómula para calcular la distancia en función del tiempo y la velocidad.

El tiempo obtenido por la función pulseIn debe ser dividido por 2. Esto es devido a que recorre dos veces la distancia, va hacia el objeto, rebota y vuelve hasta el sensor y por lo tanto tarda el doble.

Lanzar alertas

Una vez tenemos la distancia calculada ya podemos decidir si estamos en la situación de enviar alerta o no. Siempre que la distancia esté por debajo del primer umbral (umbral del LED verde y el menos restrictivo), lanzaremos la correspondiente alerta visual y sonora.

Antes de hacer nada es conveniente apagar todos los LEDs. Esto lo hacemos llamando a la función que hemos generado anteriormente.

Para reproducir un sonido con buzzer, utilizamos la función nativa de Arduino tone(pin, frecuencia, duración). Esta función admite hasta 3 parámetros aunque con los 2 primeros, sería suficiente.

  • pin: es el pin donde hemos conectado el buzzer. Recuerda que debe ser un pin PWM.
  • frecuencia: podemos poner un valor entre 20 Hz y 20.000 Hz. Juega con estos valores hasta conseguir un sonido adecuado.
  • duración: la duración en milisegundos que quieres que dure el sonido.

Si no utilizas el parámetro de duración, el sonido se reproducirá continuamente hasta que llames a la función noTone(pin).

La función comprueba que tipo de alerta hay que lanzar. Si está dentro del rango umbral 1 y umbral 2, enciende el LED verde y reproduce un sonido de 2.000 Hz durante 200 milisegundos. Si está dentro del rango umbral 2 y umbral 3, enciende el LED amarillo y reproduce un sonido de 2.500 Hz durante 200 milisegundos y si está por debajo de umbral 3, enciende el LED rojo y reproduce un sonido de 3.000 Hz durante 200 milisegundos.

Código final

Aquí te dejo todo el código de este ejercicio para que lo utilices cómo y cuando quiera. Recuerda que la mejor manera de aprender es practicando así que no lo copies entero e intenta escribirlo tu mismo.

Conclusión

En este artículo hemos visto un ejemplo de la vida real, un sensor de aparcamiento asistido. Gracias a placa como Arduino podemos descubrir cómo funciona el mundo. Si te ha gustado, te agradecería que lo compartieras, muchas gracias.

Gracias a Shutterstock por ceder los derechos de la imagen

 

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