TinkercadによるArduinoシミュレーション11 ~ 測距センサ

1. 超音波距離センサ
2. センサの使用方法
3. センサ動作のためのスケッチ
4. 実行例
5. まとめ

1. 超音波距離センサ

　今回はArduinoを用いて超音波距離センサを動作させてみたい。Tinkercad上ではParallax社とSainSmart社の２種類のセンサが選べるが、今回はParallax社のものを使用する。実物は下記で販売されており、使用方法やデータシートもサイト上で確認できるようになっている。基本的には超音波を送信し物体に反射して跳ね返った超音波（エコー信号）を再度受信することで、送信と受信の時間間隔から距離を測定する。 akizukidenshi.com

2. センサの使用方法

　接続しただけで出力が得られるような通常のセンサと違い、超音波距離センサはパルス信号をトリガーとして入力してからエコー信号を受信するという流れになる。接続例を下に示すが、GND,5Vを接続しさらに信号線:SIGをデジタル入出力の7ピンに接続した。波形を観察するため、信号線にオシロスコープを2つ接続した。オシロスコープはそれぞれ分割あたりの時間を500usと5msに設定して、2つのレンジで波形を観察できるようにしている。

次に7ピンから5us程度のパルス信号を超音波距離センサへ入力すると40kHzで8発の超音波が空気中に送信され、このときSIGはLOWからHIGHに立ち上がり(パルス入力から750us後)、超音波が物体に反射され再び超音波距離センサでエコー信号を受信したときにSIGはHIGHからLOWとなるようなパルス信号が得られる。このときのSIGの波形を下に示す。SIGのHIGHの持続時間であるパルス幅t_inは、超音波が超音波距離センサと物体を往復する時間と等しい。

最後に空気中の超音波の伝搬速度がわかれば、t_inから距離が計算できる。空気中の超音波の伝搬速度は、Parallax社のデータシートから

$C_{air}(m/s)=331.5+0.6T_c$

今回は温度T_c=22C°とするとC_air=344.7(m/s)が得られる。

3. センサ動作のためのスケッチ

　次にスケッチについて説明する。まず出力ピン(7ピン)を出力に設定し、HIGHを5us間出力してからLOWにする。5usだけHIGHにするにはdigitalWrite(pin,HIGH);のあとにdelayMicroseconds(5);として最後にdigitalWrite(pin,LOW);とすればよい。次にpinMode(pin,INPUT);としてピンを出力から入力に設定し直す。SIGのパルス信号のパルス幅を得るには、パルスを検出する関数pulseIn(pin,HIGH);を用いる。一番目の引数でピンを指定し、2番目の引数でパルスがHIGHかLOWかを指定する。HIGHを指定した場合は入力がHIGHに変わってからLOWに戻るまでの時間、すなわちパルス幅をマイクロ秒単位(long型)で返す。以上をlong readUltrasonicDistance(int pin);という関数に定義しておく。loop関数内では、tin=readUltrasonicDistance(7);として7ピンのパルス幅を得る。　次に空気中の超音波の伝搬速度を用いるが、往復であること、距離をcmとすること、時間はマイクロ秒単位であることを考慮して344.7/2(往復)*100(cm)/10⁶(us)=0.01723をtinと掛け合わせる係数とする。最後に計算結果をシリアルモニタ上に表示して100ms待つ。

long tin;
float cm = 0;

long readUltrasonicDistance(int pin)
{
  pinMode(pin, OUTPUT);  //信号をクリア
  digitalWrite(pin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  // Pinから5usのパルスを1発出力
  digitalWrite(pin, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(pin, LOW);
  // Pinを出力から入力に切り替えて、エコー信号読み出す
  pinMode(pin, INPUT);
  return pulseIn(pin, HIGH); //エコー信号の長さを返す
}

void setup()
{
  pinMode(7, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop()
{
  tin=readUltrasonicDistance(7);  // エコー信号の長さを取得
  cm = 0.01723 * tin; //距離(cm)に変換
  Serial.print(cm);
  Serial.println("cm"); //距離をシリアルモニタに表示
  delay(100); // 100ms待つ
}