US-015 超音波による距離測定器の実験 JA3OOK 中村 利和 Ver.1.0 '17/09/09 秋月に面白そうな超音波式距離センサーモジュールがあったので距離測定器を作ってみました。
乾電池３本でも動作するので持ち運んで実験できる。
別に記載した「ＣＡＴ、ＣＩ−Ｖ モニター」のプリント基盤と兼用しているので、この写真には
白や赤色の押しボタンなど、この実験では使わない部品も写っている。
上記写真左下、円筒二つ付いた基盤が 測距モジュール US-015 ＜メーカーは SainSmart＞ です。
４本のピンヘッダーが出ていて、普通の1/10インチ・ピンソケットが適合。
・VCC 5V
・Trig highを10us以上与えると距離測定開始
・Echo 対象物までの往復所要時間だけhighになる
・GND VSS
と、至って単純なインターフェース。
上記の Trig制御、Echoパルス幅測定と距離計算は PIC16F1619 で行った。
パルス幅測定は PICのSMT（SIGNAL MEASUREMENT TIMER）機能を利用した。初めてこの機能を使
ってみたが、先人のノウハウ（参考資料１）や日本語のドキュメント（PIC型番は違うけれど、
参考資料２）があったので試行錯誤なく動作させることができた。
測定距離の誤差は、温度による音速の違い、MCUのクロック速度誤差、SMTパラメーターの与え方、
Echo幅から距離を求める計算式、測距モジュール自体の測定誤差などの要因によるが、予想以上
に高精度であった。
実際 測定値（室内で測定、室温25度、他の条件はソースプラグラム参照）
１０ｃｍ １１ｃｍ
２５ｃｍ ２６ｃｍ
５０ｃｍ ５１ｃｍ
１００ｃｍ １０１ｃｍ
２００ｃｍ ２０２ｃｍ
３００ｃｍ ３０３ｃｍ
４００ｃｍ ４０５ｃｍ
測定可能距離はUS-015のドキュメントとおり、４ｍくらいが限度。
US-015のVCC電圧を4.5Vにしても測定値は変化しなかった。
参考 上記測定で行っている計算は次のとおり。
距離の計算条件 音速＝346m（温度24度） CPUクロックが1MHz、その1/4毎にカウントアップ
音速は温度が低いほど遅くなる。（338m 10度）
計算 対象物までの距離1cm、往復2cmに要する音速での時間は 2/(346*100)=57.8us
1カウントの時間は 1/(1000000/4)=4us
従って、往復2cm（対象物までの距離1cm）の場合のカウント数は
57.8us/4us=14.45カウント → 14.5カウントと約す
求める距離（単位cm）は
距離 = 得られたカウント数 / 14.5
計算式やSMTパラメーターを見直せば、もう少し測定精度が上がるかも。
（距離測定の実用化には温度による音速変化の考慮が必須）
回路図は次のとおり。
この回路には 5Vレギュレーター を内臓していないので、5V超の電源は絶対に接続しないでく
ださいね。
ソースプログラムは次の通りです。
・超音波距離測定(US-015)・ソースプログラム
・LCDドライバー・ソースプログラム
・LCDヘッダーファイル・ソースプログラム
開発環境
MPLAB X IDE v3.40
MPLAB XC8 C Compiler (Free mode) V1.40
参考資料
１ きむ茶工房ガレージハウス ＰＩＣの動かせ方入門 の中の 《１２Ｆ１６１２》「ＳＭＴ機能を動作させて見ます」
２ Microchip 日本語ドキュメントPIC12(L)F1612/16(L)F1613