Den Ultraschallsensor könnt ihr euch wie eine Fledermaus vorstellen. Eine Fledermaus verschickt Ultraschallwellen, um herauszufinden, wie weit ein Objekt entfernt ist. Diese Wellen werden von Objekten reflektiert und landen wieder bei der Fledermaus. Die Fledermaus weiß dann anhand der Wartezeit, wie weit Objekte von ihr entfernt sind.

Der Ultraschallsensor verhält sich dabei so ähnlich, wie die Fledermaus in der Natur. Der Sensor verschickt also Ultraschallwellen und wartet, bis diese von Objekten reflektiert werden. Sobald die Ultraschallwellen zum Modul zurückgekommen sind, sendet der Ultraschallsensor ein Spannungssignal (5V) an den Mikrocontroller. Aus der Zeit, in der die Ultraschallwelle unterwegs war, kann der Mikrocontroller die Entfernung zum Objekt berechnen.

Aber wie funktioniert die Technik dahinter? Lasst es uns im nächsten Schritt genauer angucken…

Der Ultraschallsensor unterscheidet sich von den vorherigen Bauteilen. Bislang hatte jedes Bauteil einen einzelnen Signalpin, aber der Ultraschallsensor verfügt über zwei Signalpins: „Trigger“ und „Echo“.

Der Trigger-Pin gibt dem Ultraschallsensor das Startsignal, um mit der Abstandsmessung zu beginnen. Dazu muss er mindestens 10ms lang eine Spannung vom Arduino erhalten.

Wenn das Modul die reflektierten Ultraschallwellen empfängt, sendet es eine Spannung an den Mikrocontroller.

Die Ultraschallwellen bewegen sich mit Schallgeschwindigkeit. Wie schnell das ist, wird mit dem nächsten Beispiel deutlich.

Wir nehmen an, zwei Personen sitzen sich gegenüber. Der Abstand sollte dabei in etwa einen Meter betragen. Die Ultraschallwelle braucht für diese Entfernung nur den Bruchteil einer Sekunde. Sie brauchen für diese Distanz ca. 0,03 Sekunden. 

Bis zum jetzigen Schritt konnten wir immer mit ganzen Zahlen arbeiten und haben als Datentyp immer den „Integer“, abgekürzt „int“ verwendet. Da die Ultraschallwellen zu schnell sind, benötigen wir einen anderen Datentyp: Die Fließkommazahlen. Der Datentyp dafür heißt „Float„ und steht für „Floating-Pint-Number“ was auf Deutsch „Fließkommazahl“ bedeutet. Mit diesem Datentypen können wir typische Kommazahlen, wie zum Beispiel 1,23 verarbeiten.

Jetzt erstellen wir die Variablen für diese Lektion. Die rote LED ist mit dem Pin 12 des Mikrocontrollers verbunden. Der Trigger des Ultraschallsensors ist mit dem Pin 6 des Mikrocontrollers verbunden. Der Echo-Pin vom Ultraschallsensor ist mit dem Pin 5 des Mikrocontrollers verbunden.

Im Setup definieren wir die Ein- und Ausgänge.

Da der Trigger-Pin Spannung vom Arduino benötigt, um Ultraschallwellen zu senden, legen wir die Trigger-Variable als Ausgang fest. Da über den Echo-Pin des Ultraschallsensors eine Spannung an den Mikrocontroller zurückgegeben wird, wird der Pin als Eingang definiert.

Die LED wird wie üblich als Ausgang deklariert, da sie vom Arduino mit Spannung versorgt wird.

Im Loop angekommen, starten wir mit der Entfernungsmessung.

Um genaue Messwerte zu erhalten, muss der Ultraschallsensor zuerst spannungsfrei sein. Erst dann ist gewährleistet, dass keine Störsignale an den Trigger-Pin des Ultraschallsensors anliegen. Der Pin muss dafür mindestens 5ms lang ausgeschaltet werden.

Um nun die Entfernungsmessung zu starten, muss der Trigger-Pin mindestens 10ms lang eine Spannung vom Arduino erhalten.

Nach den 10ms schalten wir den Trigger wieder auf LOW.

Jetzt wartet der Ultraschallsensor auf die Reflexion der Schallwelle. Wie das funktioniert, schauen wir uns im nächsten Schritt genauer an.

Mit dem setzen des „modul_ultraschallsensor_trigger“ auf „HIGH“ im vorherigen Schritt, wurden Ultraschallwellen ausgesendet.

Zu Erinnerung: Um die Entfernung messen zu können, müssen wir wissen, wie lange die Ultraschallwellen benötigen, um zum Objekt und wieder zurück zu gelangen. 

Dafür verwenden wir jetzt den Befehl pulseIn(Pin, HIGH/LOW). Achtung der vorletzte Buchstabe ist ein großes „i“. Mit diesem Befehl wird die Zeit gemessen, die vergeht, bis das 5V Signal vom Echo-Pin des Ultraschallsensors am Mikrocontroller detektiert wird. Denn das 5V-Signal des Echo-Pins wird vom Ultraschallsensor aktiviert, wenn die Schallwelle zum Sensor zurück gekommen ist.

Mit dem Befehl „pulseIn„ prüft der Mikrocontroller permanent den Status des Echo-Pins. Diese Überprüfung soll ermitteln, ob sich der Status des Pins verändert hat. Der Mikrocontroller möchte also erfahren, ob eine Spannung anliegt, die als Wechsel von einem LOW auf ein HIGH Signal interpretiert werden kann. Wenn ein solcher Signalwechsel erfolgt, bedeutet das, dass die zuvor ausgesendeten Ultraschallwellen wieder am Ultraschallsensor eingetroffen sind und wir unsere Zeitmessung beenden können. Die Zeit bis zum Eintreffen des Echos wird mithilfe des Befehls „gemessene_zeit=pulseIn(modul_Ultraschallsensor_echo, HIGH);“ in der Variablen „gemessene_zeit“ gespeichert.

In der Variablen „gemessene_zeit“ haben wir die Zeit gespeichert, die die Ultraschallwelle vom Aussenden am Ultraschallsensor, bis hin zum erneuten Eintreffen am Sensor benötigt hat.

Diese Zeitdauer misst also den Hinweg und den Rückweg zu dem Objekt (Hand/Wand).

Zur Berechnung des Abstandes eines Objektes benötigen wir allerdings nur die Zeitdauer einer Strecke, also dem Hin- oder Rückweg zum Objekt. Deshalb teilen wir die gemessene Zeit durch zwei und speichern das Ergebnis in der Variablen „zeit_einer_strecke“.

Jetzt können wir auch die Entfernung bestimmen. Wir multiplizieren hierfür die Variable „zeit_einer_strecke“ mit der Variable „schallgeschwindigkeit“. Das Ergebnis speichern wir in der Variable „entfernung“.

Die Entfernung zwischen Ultraschallsensor und Objekt ist nun in der Variable „entfernung“ gespeichert. Zur Lösung unserer Aufgabenstellung müssen wir jetzt noch überprüfen, ob die gemessene Entfernung größer als 30 cm ist. Hierfür nutzen wir eine If-Abfrage. In der Bedingung geben wir an, dass der Mikrocontroller überprüfen soll, ob der Abstand größer als 30 cm ist.

Wenn diese Bedingung erfüllt ist, wird innerhalb der If-Abfrage die rote LED eingeschaltet. Die LED leuchtet für fünf Sekunden und wird danach wieder ausgeschaltet.