Als Ultraschall bezeichnet man Schall mit Frequenzen oberhalb des menschlichen Hörfre-quenzbereichs. Er umfasst Frequenzen ab etwa 16 kHz bis zu 1 GHz. Oberhalb von 1 GHz spricht man von Hyperschall. Unterhalb der menschlichen Hörgrenze (unterhalb von ca. 20 Hz) spricht man vom Infraschall.

In Gasen und Flüssigkeiten breitet sich Ultraschall vorwiegend als Longitudinalwelle aus. Je nach Material eines Hindernisses wird Ultraschall an ihm reflektiert, in ihm absorbiert, gestreut oder er tritt durch das Material hindurch (transmittiert).

Der Ultraschallsensor HC-SR04 sendet einen hochfrequenten Signalton aus und misst die Zeit t, bis das von einem Objekt reflektierte Signal wieder bei ihm eintrifft. Diese Zeitmessung ist abhängig von der Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall in Luft.

Allgemein gilt, dass die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall abhängig ist von der Temperatur T, der Luftfeuchtigkeit und der Luftqualität. Signifikant ist bei einer Abstandsberechnung aber nur der Einfluss der Lufttemperatur.

Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall erhöht sich pro Grad Celsius (°C) um 0,6 Meter pro Sekunde (m/s). Bei 0° C liegt sie bei 331,5 m/s. Mit der folgenden Formel lässt sich die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall in Abhängigkeit von der Temperatur berechnen:

In den folgenden beiden Beispielen wird die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Schall bei 22,2° C und 25°C berechnet. Für T wird dazu der entsprechende Temperaturwert in Formel 1 eingesetzt.

Die Größe des prozentualen Fehlers berechnet sich:

Wenn die angenommene Raumtemperatur 22,2°C ist, die tatsächliche Temperatur aber bei 25°C liegt, beträgt der prozentuale Fehler 0,49%. Ein halbes Prozent bedeutet, dass das Objekt bei einer tatsächlichen Entfernung von 100 cm jetzt einen halben Zentimeter weiter entfernt erscheint.

Aufgaben

• Baue die Schaltung nach der Schaltskizze auf dem Steckbrett auf.
• Verbinde den USB-UART Adapter mit einem PC und starte das Programm CoolTerm.
• Stelle den entsprechenden COM-Port und die Baudrate 9600 ein.
• Starte das Programm BASCOM.
• Übertrage das Programm hcsr04_1.bas in den Editor und speichere es ab.
• Compiliere das Programm und brenne es in den ATmega-Baustein.
• Setze den ATmega-Baustein in den Nullkraftsockel auf dem Steckbrett und schalte die Spannungsversorgung ein.
• Im Terminalfenster von Coolterm sollten jetzt Zeitangaben erscheinen.

Schaltskizze

Das Programm hcsr04_1.bas

Signale mit dem Oszilloskop auswerten

Schaut man sich mit einem Oszilloskop die Signale an, kann man sowohl das Triggersignal erkennen, mit dem ein Messvorgang eingeleitet wird als auch das Laufzeitsignal, über das die Zeit für das hin- und rücklaufende Echosignal ermittelt wird.

Die blaue obere Kurve D0 in den beiden Oszillogrammen zeigt die Signale am Controller-Anschluss PB.0 (TRIG), die rote untere Kurve D1 die am Controller-Anschluss PB.1 (ECHO).

Das Triggersignal zum Aktivieren des Sensors ist kurz (ca. 10 µs). Nach einer Pause von ca. 250µs sendet der HC-SR04 automatisch ein 40kHz Burstsignal (Ultraschallsignal) von 200µs Dauer. Anschließend wird der Echo-Ausgang am Sensor auf HIGH gesetzt und vom Eingang PB.1 des ATmega8A Controllers über den Befehl PULSEIN als HIGH erkannt. Sobald das am Hindernis reflektierte Ultraschallsignal am Sensor eintrifft, setzt dieser seinen Echo-Ausgang auf LOW, was vom Eingang PB.0 des Controllers ebenfalls erfasst wird.

Aufgaben

• Die Schaltung ist mit der aus Übung 1 identisch.
• Übertrage das Programm hcsr04_2.bas in den Editor und speichere es ab.
• Compiliere das Programm und brenne es in den ATmega-Baustein.
• Setze den ATmega-Baustein in den Nullkraftsockel auf dem Steckbrett und schalte die Spannungsversorgung ein.
• Bestimme die Deckenhöhe und den Abstand des Sensors von einer Wand.
• Bestimme die Abstände zwischen Sensor und verschiedenen Gegenständen und vergleiche die im Terminal ausgegebenen Zahlenwerte mit den Messungen mit Hilfe eines Zollstocks.

Das Programm hcsr04_2.bas

Ausgabe im Terminal CoolTerm

Wie arbeitet das Programm hcsr04_2.bas?

Zeilen 17 - 19

Zunächst werden die Eingangs- und Ausgangsports deklariert. PB.1 ist Eingang - über ihn wird der Sensor angetriggert. PB.0 ist Ausgang - er prüft, welcher Spannungspegel an seinem Port anliegt. Die Variablen Zeit, Abstand und Abstand_s werden deklariert.

Zeilen 21 - 29

In der Endlosschleife Do ... Loop wird die eigentliche Abstandsmessung alle 2 s durchgeführt und anschließend aus der Laufzeit des Signals vom Sensor zum Gegenstand und zurück der Abstand nach Formel (3) berechnet und im Terminal von CoolTerm ausgegeben.

Nach Abbildung 1 gilt