Entfernung messen mit RaspberryPi

Einleitung:

Diese Anleitung beschreibt, wie man mit wenigen Bauteilen und einem RaspberryPi einen Ultraschall-basierenden Entfernungsmesser baut.

Raspberry Pi Basis:

Alternativ kann auch ein Vorgänger-Modell des RaspberryPi 2 verwendet werden. Hierfür wird anstatt einer MicroSD eine SD Card benötigt. Im Prinzip kann jede USB Tastatur verwendet werden.

Dieses Set dient als Basis für praktisch alle Raspberry Pi Projekte. Der RaspberryPi 2 bietet gegenüber seinen Vorgänger-Modellen u.a. eine höhere CPU Geschwindigkeit, mehr Arbeitsspeicher und 4 anstatt 2 USB Anschlüsse. Je nach Projekt kann dies durchaus von Vorteil sein.

Bauteil-Liste für den Entfernungsmesser:

¹ Alternativ zu den Male-Female Steckbrücken kann auch ein Breadboard-Adapter für die Verbindung zum RaspberryPi verwendet werden

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Funktionsweise:

Ziel des Aufbaus ist es, die Entfernung zu einem Gegenstand mittels Ultraschall-Impuls zu ermitteln. Verwendet wird hierfür das Ultraschall-Messmodul HC-SR04. Das Modul ist dabei in der Lage eine Entfernungsmessung im Bereich 2cm bis ~3 Meter durchzuführen mit einer Genauigkeit von ±3mm.

Da Ultraschall durch Gegenstände reflektiert wird, kann mittels der Zeit zwischen absenden und empfangen des Schall die Entfernung berechnet werden. Bei einer Lufttemperatur von 20°C breitet sich Ultraschall 343,5 m/s aus, sodass mittels folgender Formel die Entfernung berechnet werden kann:

Distanz [cm] = (Signallaufzeit [Sek] / 2) * 34350 [cm/sek]

Bei der Formel stellt sich vielleicht die Frage, warum eigentlich die Signallaufzeit halbiert wird. Wenn wir uns das Script genau anschauen, wird die Laufzeit des Signals direkt beim absenden des Ultraschall-Pulses angefangen zu messen und hört auf, sobald das Echo-Signal wieder am Sensor ankommt. Dies hat zwangsweise die Folge, dass ich die Zeit für den Hin- und Rückweg habe. Für die Berechnung des Abstandes brauche ich allerdings nur die Zeit, die für einen der beide Wege benötigt wird - also die hälfte des Weges. Um dies zu erreichen wird die Laufzeit einfach halbiert.

Aufbau der Hardware:

HC-SR04 Ultraschall-Sensor:

Ultraschall Sensor

Anschlüsse:

  1. Vcc (+5V)
  2. Trigger
  3. Echo
  4. Gnd

Auf Vcc liegt die +5V Versorgungsspannung und bei Gnd die Masse an. Über "Trigger" wird der Ultraschall-Impuls ausgelöst und über Echo erfolgt die Signalisierung des erfolgreichen Empfang des Ultraschall-Echos.

Aufbau der Schaltung:

Die 4 PINs des Ultraschall-Moduls müssen wie folgt mit dem RaspberryPi verbunden werden:

Bitte unbedingt beachten:

Das HC-SR04 Modul darf auf keinen Fall direkt mit dem RaspberryPi verbunden werden. Das Ultraschall-Modul arbeitet mit einer Spannung von 5v, während die GPIO Ports des RaspberryPi nur 3.3V vertragen. Ohne einen Spannungsteiler am ECHO-Ausgang wird beim RaspberryPi daher der GPIO Eingang zerstört. Aus diesem Grund ist unbedingt der Widerstand R1 mit 330Ω notwendig.

Schaltbild auf dem Steckboard (Breadboard):

Breadboard

Downloads-URLs für den Schaltplan in verschiedene Formate:

Aufbau der Software

Für den RaspberryPi wird empfiehlt sich Raspbian als System zu verwenden, welches über z.B. über NOOB installiert werden kann. Mittels eines Python-Scripts kann die Messung durchgeführt werden.

Python-Script "getDistance.py"

#!/usr/bin/env python
# -*- coding: utf-8 -*-

# Entfernungsmesser für RaspberryPi
# Version 1.0
#
# Copyright: tfnApps.de Jens Dutzi
# Datum: 27.06.2015
# Lizenz: MIT Lizenz (siehe LICENSE)
# -----------------------------------


# import required modules
import time
import RPi.GPIO as GPIO

# define GPIO pins
GPIOTrigger = 18
GPIOEcho    = 24

# Funktion zum messen der Entfernung
def MesseDistanz():
    # Trigger auf "high" setzen (Signal senden)
    GPIO.output(GPIOTrigger, True)

    # Signal für 10µs senden (ggf. je nach RaspberryPi auf 0.0005 setzen)
    time.sleep(0.00001)

    # Trigger auf "low setzen (Signal beenden)
    GPIO.output(GPIOTrigger, False)

    # Aktuelle Zeit setzen
    StartZeit = time.time()
    StopZeit = StartZeit

    # Warte bis "Echo" auf "low" gesetzt wird und setze danach Start-Zeit erneut
    while GPIO.input(GPIOEcho) == 0:
        StartZeit = time.time()

    # Warte bis "Echo" auf "high" wechselt (Signal wird empfangen) und setze End-Zeit
    while GPIO.input(GPIOEcho) == 1:
        StopZeit = time.time()

    # Abstand anhand der Signal-Laufzeit berechnen
    # Schallgeschwindigkeit: 343,50 m/s (bei 20°C Lufttemperatur)
    # Formel: /Signallaufzeit in Sekunden * Schallgeschwindigket in cm/s) / 2 (wg. Hin- und Rückweg des Signals)
    SignalLaufzeit = StopZeit - StartZeit
    Distanz = (SignalLaufzeit/2) * 34350

    return [Distanz, (SignalLaufzeit*1000/2)]

# main function
def main():
    try:
        while True:
            Ergebnis = MesseDistanz()
            print("Gemessene Entfernung: %.1f cm (Signallaufzeit: %.4fms)" % (Ergebnis[0], Ergebnis[1]))
            time.sleep(1)

    # reset GPIO settings if user pressed Ctrl+C
    except KeyboardInterrupt:
        print("Messung abgebrochen")
        GPIO.cleanup()

if __name__ == '__main__':
    # benutze GPIO Pin Nummerierung-Standard (Broadcom SOC channel)
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)

    # Initialisiere GPIO Ports
    GPIO.setup(GPIOTrigger, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(GPIOEcho, GPIO.IN)

    # Setze GPIO Trigger auf false
    GPIO.output(GPIOTrigger, False)

    # Main-Funktion starten
    main()

Download: getDistance.py

Wie führe ich eine Messung aus?

Nachdem Sie das Script auf Ihren RaspberryPi geladen haben, können Sie es direkt mittels folgendem Befehl aufrufen. Bitte beachten Sie, dass der Zugriff auf die GPIO Ports nur als root möglich ist:

root@raspberrypi:~# python getDistance.py

Alternativ können Sie getDistance.py auch direkt ausführbar machen und sich das "python" beim aufrufen sparen. Hierzu ist nur folgendes notwendig:

root@raspberrypi:~# chmod +x getDistance.py

Die Ausgabe des Python Scripts sieht wie folgt aus:

root@raspberrypi:~# ./entfernung.py
Gemessene Entfernung: 22.5 cm (Signallaufzeit: 0.6559ms)
Gemessene Entfernung: 22.9 cm (Signallaufzeit: 0.6690ms)
Gemessene Entfernung: 22.9 cm (Signallaufzeit: 0.6690ms)
Gemessene Entfernung: 22.5 cm (Signallaufzeit: 0.6560ms)
Gemessene Entfernung: 22.9 cm (Signallaufzeit: 0.6670ms)

Das Programm ermittelt kontinuierlich den Abstand und kann mittels STRG+C beendet werden.

Lizenz-Information:

Copyright Jens Dutzi 2015 / Stand: 12.07.2015

Dieses Werk ist lizenziert unter der MIT Lizenz.