超音波センサー パフォーマンステスト
ソニックセンサー パフォーマンステスト
Rev.
67
 Original :Wed.Dec.23'15
 Updated :Sun.JFeb26'17
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HC-SR04 & US-105 ソニックセンサー パフォーマンス テスト

 10年以上昔から 10cm~300cm の距離にある [ 物 ] を検知するために超音波センサーを使用してきた。初期の頃はコンポー
ネントを個々に購入して組み上げていたものだが・・・、
超音波 Tx/Rx モジュールは安価に入手可能だ。
 以前は超音波マイクロフォンとスピーカーを個々に購入し回路を組み上げていた。↑は各種のマイクロフォンとスピーカー。
近年は組み立て済みのモジュールが web で良く見られるようだ。今回 web で入手できる安価な超音波センサーモジュールの
[ 実用的な ] 機能をチェックしてみた。入手先は秋月電子、アマゾン、中国のショップなどで、 2016年1-3月に2個ずつ(合計6
個を)購入した。
 US-015 は同じ外観で US-100、US-020 などの製品も流通している。これはレンジ(測距距離)が異なっている様に思える。
US は Ultra Sonic の略、15 はレンジが 15フィート ( 約 4.5m ) 、20 は 20フィート(約 6.0m ) の様にモデルナンバーがネーミング
されたのではないだろうか。

 
 結論から述べれば US-015 がベストだと断言できる、web でも知られているように HC-SR04 は致命的な欠点を持っている
のだ。
中国のショップで入手すれば、欠点が修正された最新の商品が入手できるかも・・・。と考え海外オーダーしたのだが、届いた品
は国内ショップで手に入れたものと変わらなかった。現時点 ( as at March 2016 ) では欠点をリカバーした商品の入手は不可能
なのかも知れない。
_
 別ページにも記したが、 HC-SR04 は以下の様な弱点を持っている。

Case-One :自身の検知能力範囲内に音響的な反射物が無いとハングアップして距離測定不可能になる。
Case-Two :測定する対象物が移動する物体の場合、相手の移動速度によっては補足できず、距離測定不可能になる可能性がある。
Case-Three :測定する対象物が音響的に反射が低い場合補足できず、距離測定不可能になる可能性がある。


 これらはHC-SR04 以外の他社製品でも超音波を利用している製品に共通の弱点だが、常識的な製品であれば、このような場合
自動的にリトライする機能を持っている。しかしHC-SR04 にはその機能を持っていないのだ。しかも一旦ハングアップすると回避の
手段は HC-SR04 の電源= VCC を Off するしか無いのだ。対策としてはハングアップした時に VCC をカットするリレーとか FET
回路を追加する事で対応は可能だが、当然この間測定はできないから連続した情報収集は不可能となる。
 この件で私が行った具体的な対応。 ⇒⇒

Memo 2017-02-19
 1ダースほどまとめて購入した製品の内1個が動作不動品だった。個人的経験から中国製品の不良率が高いとの印象はまた
強くなってしまった。⇒⇒


 別の作品のために制作したモジュールを今回のテストに流用。 HC-SR04 のエコーシグナルを数値化 ( nnn cm ) さらに
1文字のASCHII コードにコンバートして無線で( USART プロトコルで) PC へ伝送する。


 これは 2014年11月、あるクライアントの依頼で製作した [ かかし ] だ。夜間パーキングに止めた愛車に人が接近すると LED
を点滅しながら頭を左右に回転させる機能を持つ。プログラムの変更のため今回里帰りしているのだが、ソニックセンサーの
パフォーマンステストに流用させてもらった。 memo' 使用モーターは秋月電子 ST-42BYG0506H/ 5Volt

 マウスポインターを画像 #16-R0022178 に乗せてください。

 HC-SR04 をセットしたモジュールをこの [ かかし ] にマウントしてテスト(耐震性、反応性)を行った。


 回転方向:正逆、回転速度:高低、回転角度:1°~ 320°様々なパターンをセットにしたテストモードが用意されている。

 
 テストの一例、ヘッド部を正逆約90°回転することで 25cm ~ 350cm の距離測定を繰り返すことができる。さらにモジュール
全体を90度回転(垂直)の位置にすれば、床⇒壁⇒天井 のスキャン測距が可能だ。

 
 無線送信される距離情報は USB を経由して PC:パソコンでモニター可能だ。最近社名が モノワイヤレスに変更された企業の
ToCoStick と TWE-LITE R いずれかを使用することで可能になる。 余談だが、個人的にこの企業の製品のネーミングには好感
が持てない、やたら大文字と小文字とスペースが混在していること、わずかな機能変更で製品名そのものが変わることなどで、
不要な [ とまどい ] をユーザーに強いるからだ。

 
 測定した距離データは 008cm ~ 408cm の数値だが、ASCHII 一文字に変換して無線で PC へ伝送。今回は ToCoStick で受
信した。


 受信データは一文字なので、ヘッドの動きにつれてリニアーに距離情報が読み取られているか判別易い。画像の一部の拡大図面
を見ると、停止してた ( YYYYYYYY が続いている)後、ヘッドが動き出したため \ ]]]]]\\ とデータが変化していることが読みとれる。
 このテストでは HC-SR04 はテストを開始すると、数秒から数分で距離情報を出力できなくなりほとんど正常動作できなかった。
しかし US-015 は問題なく 120時間(24時間 x 5日)正常に動作していた。 

 HC-SR04 には対策としてハングアップ時に SR04 の電源:VCC を FET でカットするパッチをプログラムに加えて行った。


 US-015 ( 画像はミスで US-105 と記している) の後ろに FET が見える。

 マウスポインターを画像 #16-R0022178 に乗せてください。


 前述したように、HC-SR04 と US-015 を比較すると US-015 がベストだと断言できる。あなたの作品に HC-SR04を採用する
のであれば、測定する対象物が距離や振動に無関係であったとしても、長期間の安定稼働を望むのであれば VCC カットの機能を
考慮しておくことが Must だと私は考える。

 以下にHC-SR04 と US-015 を使った作品の事例を載せておく。

貯水タンクの水量表示モジュールの製作事例

_
 超音波センサーを利用した貯水タンクの貯水量表示モジュールの基本アイデアだ。



 以下に公称 50mmφの塩ビパイプに超音波センサーを組み込んだ作品事例を示す。(

 HC-SR04 を機材にマウントするのは取り付け用の穴が小さいこともあり意外と難しい。また、このページにも記したが、状況により
HC-SR04 の VCC をカットする必要があり、私は一回り大きい PIB にピギーバック(おんぶ)する方法を選んだ。


 FET で VCC をカットする回路をこのボードに組み上げた。


 公称 50mmφの塩ビパイプのエンドキャップに(画像では穴だけだが)2本の 2.4mm ビス&ナットでマウントする。


 本番で使用する作品の一例。アンテナは(とても高価だが)屋外用を使用した。識別用 ID は2ビットをアサインしているので
4個のタンクが識別可能だ。

 
 完成した作品。現在伝送テスト中、ストロボを使用したのでわかりにくいが円柱部分にセットされたグリーン LED は
エコー信号に反応して点滅している。測定データは別室の PC に伝送中だ。

 
 上画像 #16-R00222233 の作品から送られるデータは ToCoStick を経由してホスト側で受信する。 ToCoStick はこのように
(受信感度を上げるため)立てて使用するのがベター。


 上画像 #16-R0022274 で PC が受信している同じ情報を PIC マイコンでも受信して LCD:液晶モジュールに[ 貯水量 ] を表示
している。さらに、あらかじめプリセットされた水位に届くとこのモジュールから無線で情報を発信する機能も持つ。
 上の画像 #16-R0022276 の [20] のラベルが貼られた TWI-Lite Dip トワイライト・ディップはタンク側から送られる水位情報を
受信しつつ、タンクのポンプの ON/Off 指示を送信するミッションも担っている。またマイクロプロセサー PIC-16F873 の Pin-18
( Port C-3 ) ⇒ 左へのびる黄色のジャンパーケーブル⇒ LED ⇒ 330Ωの抵抗 ⇒ Gnd は必要に応じブザーや LED をドライブ
するための回路だ。
 画像 #16-R0022276 ( ) はブレッドボード上に仮組立した物で、実際に現場で使用する作品としてまとめると () の様な外観となる。

 [ J ] のラベルが記された 14P コネクターは LCD :液晶接続用だ。

 現在我が家で稼働している有線方式のシステムでも、タンクが満タンになれば給水を自動停止するなどの機能を持っているが
新しい無線通信システムを利用して各タンクの水位情報をを把握して、相互の送水・受水コントロールなど総合的な貯水量管理に
利用したいと考えているのだ。

2016-04-29 Fri.
 すでにハードウエアー & ソフトウエアー共に問題もなく安定稼働しているが、 5月の連休を利用して、貯水量データ送信モジュール
を追加製作した。 
 実は貯水量モニター以外のアイデアがあり、そのための布石なのだ。


 今回使用するソニックセンサーは HC-SR04 を選んだ。


 まず廃材からLアングルを作り、、、。


 自作したLアングルはこのように使うのだ。


 マイクロプロセサーや無線モジュールをセットする基板と HC-SR04 を組み合わせて、


 公称 50mmφの塩ビパイプのエンドキャップに固定する。


 必要なコンポーネント類を載せて配線する。 この時点では5 Volt のレギュレーターは未実装。、


 後部から電源ケーブルとアンテナケーブルを引き出せば完成だ。現在稼働中のモジュールと置き換えて稼働テストを開始。
数日間の短いテストでは問題は見られなかった。


 今後数ヶ月間のフィールド・ベリファイテストを行うため、プログラムの細部の修正、仮アンテナの再セット作業を追加した。


 公称 50mm φの塩ビパイプに組み込む。塩ビパイプ側面に見える赤色 LED は HC-SR04 のエコーシグナルインジケーターだ。


 現在稼働中のモジュールを取り下げて、、


 数ヶ月にわたるテストをスタートした。


 正常時はエコーインジケーターは点滅を繰り返しているが、 On or Off の状態のまま変化がない場合は異常だと判断できる。


 屋内モジュールは数種類製作したが、これはその中の1事例だ。また赤い LED は満タン or タンク残量 10 ㍑以下の時にブザー音
と共に点滅する機能を持たせた。


 無線通信なので、居間とか書斎など設置場所は任意だ。また、2セット製作すれば同時に複数の場所でモニターも可能となる。
有線の場合(基本的に)送受間は1対1となるため、複数でのモニターは難しい。

 電源は送受共に古いケータイの充電器を使用した。

 通常の使用状況では問題なく稼働するが、まれに、動作不安定な状況が見られた事があったが数秒から数十秒で回復するので
実用には問題ないと言えるだろう。長期間の安定稼働を望むのであれば 5.0Volt の TTR を組み込み、7~24 Volt のパワーソース
の使用が must だろう。


 当初は4カ所の貯水タンクの貯水量表示が可能なモデルとして制作したモデル。その後追加のフィーチャーを加えると
(使用する PIC マイコンと私のプログラミング能力の関係で)2カ所の貯水タンクの貯水量しか表示できないと判明したモデル。
 これで充分役立つが、近い将来機能強化するつもりだ。


 パワーソースは 8~24 Volt の AC アダプターを使っている。この種の製品はわざわざ新品を購入しなくても机の引き出しや押し入れで
見つかるだろう。画像 #16-R0022326.jpg は DIY Shop のカインズで販売されていたバスポンプに付属していた物だ。わざわざ紹介した理由
は、この製品には出力保護回路が内蔵されているからなのだ。バスポンプに使用されている DC モーターは長期間使用するとブラシが
摩耗しショート状態になるが、このような場合過電流による過熱を防ぐためモーターへの給電を自動停止してくれのだ。


 これ ( ) は受信側のプログラムミスの事例だ。貯水タンクから発信する情報は基本的にふたつの情報、①=タンクの ID 番号
②=水位情報 で構成されている。受信側はこれらの情報を元に貯水量を計算し表示している。 この()事例は、300Lt タンクと
500Lt タンクの ID 番号を取り違えたため、300Lt タンクの情報を 500Lt タンクの情報として処理/ 表示してしまったのだ。

 

 現在テスト稼働中のこのシステムがベストだとは考えてはいない。私のプログラミングの能力では困難だが、上()画像で 140 の
ラベルの PIC 16F87 のプログラムをTWELITE DIP に移植すれば HC-SR04 は TWE-DIP と理論的に直結が可能となる。結果とし
て部品構成は1個の LSI ( TWELITE DIP ) で完結できることになる。
 74才の私にとって新しいプログラム言語の学習を始めることは大変な困難を伴うことだが、 [ いつの日か ] 成し遂げて
見たい希望を捨てきれないでいるのだ。



 その後タンク側貯水量送信モジュールは測定側と送信側に2分割して、使用環境を広げたモデルを制作した。手で摑んでいるのが測定モジュール
背後が送信モジュールだ。 制作リポートは ⇒⇒


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