Per misurare una distanza possiamo utilizzare un sensore a infrarossi o un sensore a ultrasuoni: in questo articolo studiamo quale convenga.
Due sensori per la misurazione della distanza sono estremamente popolari: il sensore di prossimità a infrarossi e il telemetro a ultrasuoni. Funzionano in modi simili e ottengono più o meno lil medesimo risultato, ma è importante scegliere il sensore giusto per l’ambiente in cui ci si trova.
Un sensore di prossimità a infrarossi ha una sorgente di luce come elemento trasmittente ed un sensore come elemento ricevente. La sorgente di luce fa rimbalzare la luce infrarossa dagli oggetti e torna al sensore e il tempo impiegato dalla luce per tornare viene misurato per indicare la distanza di un oggetto.
Un telemetro a ultrasuoni emette onde sonore ad alta frequenza, e ascolta l’eco ritornata quando colpiscono una superficie solida. Misurando il tempo impiegato da un segnale per eseguire il percorso completo, il telemetro a ultrasuoni può determinare la distanza percorsa.
Precisiamo che, rispetto ai telemetri a ultrasuoni, i sensori di prossimità a infrarossi non sono così accurati e hanno una portata molto più breve.
Ma vediamo meglio cosa considerare nella progettazione.
Complessità
Entrambi questi sensori sono progettati per essere estremamente facili da integrare con i progetti Arduino. Nel mondo reale, vengono utilizzati per applicazioni elettroniche simili, come i misuratori di prossimità sul retro delle auto che emettono segnali acustici quando ti avvicini al marciapiede. Anche in questo caso, la principale complessità è inserirli nel progetto in modo efficace. Diversi sensori di prossimità a infrarossi hanno utili fori per le viti all’esterno del corpo del sensore. Altri telemetri a ultrasuoni non dispongono di simili supporti, ma la loro forma cilindrica li rende semplici da montare su una superficie praticando un foro.
Costo
I sensori di prossimità a infrarossi costano sino ai 20 euro, ed hanno una portata fino a circa 59 pollici (150 cm) o meno. I telemetri ad ultrasuoni hanno una portata e una precisione molto maggiori, ma un prezzo anch’esso più elevato, tra i 25 euro per un sensore in grado di leggere fino a 254 pollici (645 cm) ed i 100 euro per una maggiore resistenza agli agenti atmosferici, nei modelli in grado di leggere fino a 301 pollici (765 cm).
Dove
Un’applicazione comune per questi sensori è il monitoraggio della presenza di una persona o di un oggetto in un particolare spazio del pavimento, specialmente quando un cuscinetto a pressione sarebbe troppo ovvio o facile da evitare, o quando un sensore PIR avrebbe un raggio di azione eccessivamente ampio. L’uso di un sensore di prossimità consente di sapere dove si trova qualcuno in linea retta rispetto a quel sensore, rendendolo uno strumento molto utile.
I sensori di prossimità IR vanno bene in ambienti bui ma si comportano terribilmente alla luce diretta del sole. Il MaxBotix Ultrasonic Range Finder è uno dei sensori ultrasonici più affidabili. Quando si utilizzano telemetri a ultrasuoni, è anche possibile scegliere la larghezza del settore di controllo desiderato. Un grande sensore a forma di lacrima è perfetto per rilevare oggetti di grandi dimensioni che si muovono in una direzione generale, mentre i raggi stretti sono ottimi per misurazioni di precisione
Diamo ora un’occhiata ai principali sensori ad ultrasuoni e IR presenti sul mercato.
Sensori ad ultrasuoni
HC-SR04 è il sensore più comune ed economico, presente in quasi tutti gli starter kit per Arduino o Raspberry PI.Con una decina di euro è possibile acquistarne 5. A fronte del basso presso anche le caratteristiche di funzionamento possono talvolta risultare un po’ instabili o eccessivamente limitate, ma risulta un ottimo sensore per iniziare a studiare come funziona la propagazione e la ricezione dell’eco, e in linea di massima ccome gestirne la programmazione. Esistono numerosissime librerie ad esso associate.
LiebeWH 15qopc9evw (prodotto da LiebeWH e da Akozon) offre una qualità decisamente superiore ed una semplicità di installazione al costo di circa 25 euro. Usa TRIG a 10 porte per attivare l’intervallo, fornendo un segnale di alto livello di almeno 10us, modulo invia automaticamente 8 onde quadre da 40 kHz per rilevare automaticamente se vi sia ritorno del segnale. Quando c’è ritorno di segnale, viene emesso livello alto attraverso l’ECHO, e la durata di alto livello è il tempo dalla trasmissione di ritorno dell’onda ultrasonica. La distanzacviene calcolata con la formula (velocità del suono x tempo di alto livello x (340M / S)) / 2.
MatBotix 240-071 (distribuito da Digilent) rappresenta com dicevamo la punta di diamante per le applicazioni hobbistiche (e non solo!):
- Gamma di rilevamento oggetti effettiva: da 150 a 6480 mm
- Risoluzione di distanza: 25 mm su gamma di rilevamento
- Letture con funzionamento libero ogni 50 ms
- Comunicazione host: UART, PWM e analogica
Sensori ad infrarossi
I sensori ad infrarossi sono più a buon mercato, a fronte di una capacità di rilevazione meno specifica. Vediamone alcuni:
Il sensore IR classico contenuto negli starter kit è in realtà una coppia di sensori, un trasmettitore ed un ricevitore. Il loro costo unitario è inferiore ad un euro al paio, e la precisione dipende moltissimo dal posizionamento degli elementi.
- Trasmettitore 10pcs 940nm con angolo di emissione 45 gradi, ricevitore 10pcs VS1838B con angolo di ricezione 70 gradi
- Tensione trasmettitore: 1,2-1,5 V, Tensione ricevitore VS1838B: 3 V-5 V, DIP a foro passante 2 pin LED a 5 mm Set luci del trasmettitore
- Struttura robusta, resistenza alla corrosione, alta affidabilità, basso consumo energetico, lunga durata.
- Utilizzato per: dispositivi elettronici, fototransistor, apparecchiature di comunicazione, sensori a fascio IR, telecomando a infrarossi, circuito PCB fai-da-te, Arduino, Raspberry Pi, hobby, esperimenti scientifici, breadboard
Il modulo sensore di movimento è dotato di una coppia di trasmettitore e ricevitore a infrarossi. Anch’esso è basato sulla ricezione dell’eco, e si presta perfettamente ad essere montato su piccoli robot semoventi. L’intervallo di distanza effettiva è 2 ~ 80 cm, la tensione di lavoro è 3,3 V-5V. Il campo di rilevamento del sensore può essere regolato tramite potenziometro, con poca interferenza, può essere ampiamente utilizzato per evitare ostacoli con robot, conteggi di linee di carrelli per evitare ostacoli e per il tracciamento di linee in bianco e nero. Costo circa 3 euro.
Il sensore GP2Y0E03 rappresenta un sensore di distanza ottimizzato per Arduino, con le seguenti proprietà:
- Funzionamento in tensione: 2,7 V-5 V; Uscita: uscita digitale (I / C) / analogica; Sensore: LED a infrarossi e sensore di immagine CMOS
- Distanza di misurazione ad alta precisione: da 4 a 50 cm
- Il cambiamento della riflettività dell’oggetto, la temperatura ambiente e il tempo di funzionamento non influenzano facilmente il rilevamento della distanza.
- Ampiamente utilizzato per interruttore senza contatto (apparecchi sanitari, controllo dell’illuminazione, ecc.), Sensori a risparmio energetico (bancomat, fotocopiatrici, monitor LCD, ecc.), Attrezzature per il divertimento (robot, console di gioco, ecc.)
Il costo di questo sensore si aggira intorno ai 10 euro.
Il sensore E18D80NK, infine, rappresenta la scelta professionale per chi abbia bisogno di unn interruttore ad infrarossi basato sul corretto calcolo della distanza. L’interruttore del sensore di prevenzione a infrarossi è ampiamente utilizzato nell’evitare gli ostacoli di robot, parti di linea e, in molte occasioni, nella linea di produzione di apparecchiature per il conteggio automatico. Questo sensore a infrarossi ha una distanza di rilevamento regolabile, che può essere regolata in base alle esigenze, con buone prestazioni.
Caratteristiche elettriche: U: 5VDC; io: 100mA; Sn: 3-80 cm; Diametro: 18 mm / 0,71 pollici; Lunghezza del sensore: 45 mm / 1,77 pollici; Lunghezza del cavo: 45,5 cm / 17,9 pollici. Uscita in corrente DC / SCR / Uscita di controllo relè: alimentazione 100mA / 5V Consumo di corrente DC <25mA.
Considerazioni finali
Abbiamo visto che esiste un tipo di sensore per ciascuna applicazione necessaria: la precisione ed il costo di ogni scelta variano con il livello di accuratezza che ci occorre nel progetto. Non esiste quindi una “soluzione ottimale”, e se siamo alle prime armi la scelta più economica andrà più che bene per imparare a capire come funzionano questi apparecchi.
Ovviamente questa è solo una panoramica delle opzioni disponibili: se aveste necessità di qualcosa di più complesso, o anche solo di un approfondimento o un consiglio, non sitate a contattarci sui nostri canali Telegram, sui docial o via email: in genere rispondiamo sempre entro le 24 ore.
In attesa del prossimo articolo, buon divertimento e buona sperimentazione!
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Luigi_Morelli
Definire ciò che si è non risulta mai semplice o intuitivo, in specie quando nella vita si cerca costantemente di migliorarsi, di crescere tanto professionalmente quanto emotivamente. Lavoro per contribuire al mutamento dei settori cardine della computer science e per offrire sintesi ragionate e consulenza ad aziende e pubblicazioni ICT, ma anche perche’ ciò che riesco a portare a termine mi dà soddisfazione, piacere. Così come mi piace suonare (sax, tastiere, chitarra), cantare, scrivere (ho pubblicato 350 articoli scientfici e 3 libri sinora, ma non ho concluso ciò che ho da dire), leggere, Adoro la matematica, la logica, la filosofia, la scienza e la tecnologia, ed inseguo quel concetto di homo novus rinascimentale, cercando di completare quelle sezioni della mia vita che ancora appaiono poco ricche.