Виды датчиков расстояния для Arduino: HC-SR04, ИК, VL53L0X и LiDAR

Выбор среди видов датчиков расстояния для Arduino поначалу кажется вопросом «какой измеряет дальше», но на деле всё решают поверхность объекта, нужная точность, требуемая ширина луча и окружающие условия. Тот же HC-SR04, который измеряет расстояние до стены с точностью до сантиметра, может давать нестабильные показания на мягкой ткани дивана, а недорогой лазерный датчик с миллиметровой точностью — терять половину дальности на солнце. В этом руководстве мы сравним шесть датчиков, которые чаще всего используют в проектах на Arduino.

Мы сравним ультразвуковой HC-SR04 и его водостойкий аналог JSN-SR04T, инфракрасный триангуляционный датчик Sharp GP2Y0A21, лазерные датчики времени пролёта (ToF) VL53L0X и VL53L1X, компактный LiDAR TF-Luna и датчик приближения малого радиуса действия TCRT5000. Для каждого разберём принцип работы, дальность, точность, угол луча, реакцию на поверхности и интерфейс, а также приведём пример скетча, прошедшего компиляцию. В конце таблица поможет выбрать датчик для конкретного проекта.

Как датчики измеряют расстояние? Три основных принципа

Почти все датчики расстояния для Arduino используют один из трёх методов. Время пролёта: датчик посылает звуковой или световой импульс и измеряет время возвращения отражённого сигнала; расстояние равно половине произведения времени на скорость. Ультразвуковые датчики делают это с помощью звука, а VL53L0X и TF-Luna — света. Свет примерно в миллион раз быстрее звука, поэтому ToF-датчики содержат специальные микросхемы, измеряющие время с пикосекундной точностью. Триангуляция: ИК-датчики Sharp направляют инфракрасный луч на объект и определяют, куда попадает отражённый свет на позиционно-чувствительном детекторе (PSD); для близких объектов пятно смещается к одному краю, для далёких — к другому. Интенсивность отражения: простые датчики вроде TCRT5000 измеряют только силу возвращающегося света; она сильно зависит от цвета поверхности, поэтому это обнаружение приближения, а не настоящее измерение расстояния.

Большая сравнительная таблица

В таблице ниже собраны типичные характеристики модулей с каждым датчиком. Дальность указана по данным производителей; в реальном проекте она может быть меньше в зависимости от поверхности и окружающих условий. Цены различаются по странам, поэтому приведены в относительном виде.

HC-SR04: ультразвуковая классика

HC-SR04 посылает восемь звуковых импульсов частотой 40 kHz и удерживает на пине ECHO уровень HIGH до возвращения эха. Arduino измеряет длительность этого импульса в микросекундах с помощью pulseIn(). При 20 °C звук распространяется со скоростью около 343 метров в секунду, или 0,0343 см за микросекунду; поскольку он проходит путь до объекта и обратно, distance = time × 0.0343 / 2. Скорость звука меняется с температурой (примерно 331,3 + 0,606 × T м/с): между 0 °C и 35 °C разница составляет около 6%, что даёт погрешность до 12 см на расстоянии 2 метра. Код ниже учитывает эту поправку и берёт медиану пяти измерений, чтобы отсеять случайные ошибочные эхо-сигналы.

1const int TRIG_PIN = 9;
2const int ECHO_PIN = 10;
3const float SICAKLIK = 20.0;     // ortam sıcaklığı, °C / ambient temperature, °C
4float sesHizi;                   // cm/µs
5
6float mesafeOlc() {
7  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
8  delayMicroseconds(2);
9  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);  // 10 µs tetik darbesi / 10 µs trigger pulse
10  delayMicroseconds(10);
11  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
12  unsigned long sure = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 30000UL);   // 30 ms ≈ 5 m sınırı / ~5 m limit
13  if (sure == 0) return -1;      // yankı yok / no echo
14  return sure * sesHizi / 2.0;   // gidiş-dönüş / round trip
15}
16
17void setup() {
18  Serial.begin(9600);
19  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
20  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
21  sesHizi = (331.3 + 0.606 * SICAKLIK) / 10000.0;   // m/s -> cm/µs (20 °C: 0,0343)
22}
23
24void loop() {
25  float olcum[5];
26  for (int i = 0; i < 5; i++) {  // 5 ölçüm, aralarında 60 ms / 5 readings, 60 ms apart
27    olcum[i] = mesafeOlc();
28    delay(60);
29  }
30  for (int i = 1; i < 5; i++) {  // sırala / sort
31    float x = olcum[i];
32    int j = i - 1;
33    while (j >= 0 && olcum[j] > x) { olcum[j + 1] = olcum[j]; j--; }
34    olcum[j + 1] = x;
35  }
36  float d = olcum[2];            // ortanca / median
37  if (d < 0) Serial.println("Menzil disi / out of range");
38  else { Serial.print(d, 1); Serial.println(" cm"); }
39}
40

• Выдерживай минимум 60 мс между измерениями: если повторить измерение, пока эхо предыдущего импульса ещё отражается по комнате, результат будет неверным.
• Мягкие и наклонные поверхности: ткань, поролон и шторы поглощают звук; поверхности с наклоном более 45 градусов отражают эхо в сторону от датчика.
• Широкий луч: конус примерно в 15 градусов на расстоянии 2 метра охватывает область шириной почти 50 см; в узком коридоре датчик может видеть и боковые стены.
• Платы на 3,3 V: классическому HC-SR04 нужно 5 V, и его выход ECHO тоже выдаёт 5 V; для ESP32 и Pico установи делитель напряжения на ECHO или используй HC-SR04P, работающий от 3,3 V.
• Несколько датчиков: два HC-SR04, запущенные одновременно, слышат эхо друг друга; запускай их по очереди.

Подключение HC-SR04 и его использование с монитором порта и LCD подробно разобраны в статье «Датчик расстояния HC-SR04»; здесь мы сосредоточимся на сравнении.

JSN-SR04T: водостойкий ультразвуковой датчик

JSN-SR04T использует ту же логику запуска и эха, что и HC-SR04, но его преобразователь находится в водонепроницаемой капсуле на кабеле, отдельно от электронной платы. Поэтому он подходит для влажных мест: баков с водой, колодцев, ёмкостей для дождевой воды и уличных парктроников. Есть два важных отличия: поскольку один преобразователь и излучает, и принимает сигнал, вблизи него есть слепая зона (около 20–25 см), а луч шире, чем у HC-SR04. Установи датчик на верхней крышке бака как минимум на 25 см выше максимального уровня воды. Код ниже преобразует расстояние в процент заполнения.

1// JSN-SR04T ile su deposu doluluğu / water tank level with a JSN-SR04T
2const int TRIG_PIN = 9;
3const int ECHO_PIN = 10;
4const float SENSOR_BOSLUK = 25.0;  // sensörden en yüksek su seviyesine, cm (ölü bölge) / sensor to max level (blind zone)
5const float DEPO_DERINLIK = 120.0; // en yüksek seviyeden depo dibine, cm / max level to tank bottom
6
7float mesafeOlc() {
8  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
9  delayMicroseconds(5);
10  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
11  delayMicroseconds(20);           // JSN-SR04T 10 µs'den uzun darbeyi sever / likes a longer pulse
12  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
13  unsigned long sure = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH, 40000UL);
14  if (sure == 0) return -1;
15  return sure * 0.0343 / 2.0;      // 20 °C ses hızı / speed of sound at 20 °C
16}
17
18void setup() {
19  Serial.begin(9600);
20  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
21  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
22}
23
24void loop() {
25  float d = mesafeOlc();
26  if (d < 0) {
27    Serial.println("Yanki yok / no echo");
28  } else {
29    float suYuksekligi = DEPO_DERINLIK - (d - SENSOR_BOSLUK);   // dipten su yüksekliği / water height
30    float yuzde = constrain(suYuksekligi / DEPO_DERINLIK * 100.0, 0, 100);
31    Serial.print("Mesafe / distance: ");
32    Serial.print(d, 1);
33    Serial.print(" cm  Doluluk / fill: %");
34    Serial.println(yuzde, 0);
35  }
36  delay(1000);                     // su yüzeyi dalgalanır, sık ölçme / water ripples, measure slowly
37}
38

Sharp GP2Y0A21: аналоговый инфракрасный датчик

Sharp GP2Y0A21YK0F — инфракрасный датчик, работающий на расстоянии от 10 до 80 см и выдающий аналоговое напряжение в зависимости от расстояния. Благодаря триангуляции он менее чувствителен к цвету объекта, чем датчики на основе интенсивности отражения. Выход нелинейный: около 2,3 V при 10 см и 0,4 V при 80 см, а между ними зависимость описывается степенной функцией с отрицательным показателем. Код преобразует эту кривую по приближённой формуле distance = 29.988 × V^-1.173. Главная ловушка — расстояние меньше 10 см: при дальнейшем приближении объекта выходное напряжение снова падает, и объект в 5 см может выглядеть так, будто находится в 20 см. Установи датчик так, чтобы объект никогда не мог приблизиться ближе 10 см.

1// Sharp GP2Y0A21YK0F (10–80 cm), analog / analog output
2const int SHARP_PIN = A0;
3
4float sharpCm() {
5  long toplam = 0;
6  for (int i = 0; i < 20; i++) {          // 20 okumanın ortalaması / average of 20 readings
7    toplam += analogRead(SHARP_PIN);
8    delay(2);
9  }
10  float volt = toplam / 20.0 * 5.0 / 1023.0;
11  if (volt < 0.35) return -1;             // 80 cm'den uzak / farther than 80 cm
12  float cm = 29.988 * pow(volt, -1.173);  // ters güç eğrisi / inverse power curve
13  if (cm > 80) return -1;
14  return cm;                              // 10 cm altı yanıltıcı / misleading below 10 cm
15}
16
17void setup() {
18  Serial.begin(9600);
19}
20
21void loop() {
22  float cm = sharpCm();
23  if (cm < 0) Serial.println("Menzil disi / out of range");
24  else { Serial.print(cm, 1); Serial.println(" cm"); }
25  delay(100);
26}
27

Во время измерения датчики Sharp потребляют короткие импульсы большого тока, создающие помехи на линии питания. Конденсатор примерно на 10 µF рядом с пинами VCC и GND датчика заметно стабилизирует показания. В семействе есть модели с другими диапазонами: GP2Y0A41SK0F работает от 4 до 30 см, GP2Y0A02YK0F — от 20 до 150 см; у каждой свои коэффициенты кривой.

VL53L0X и VL53L1X: лазерные ToF-датчики

VL53L0X и VL53L1X — крошечные лазерные датчики времени пролёта от STMicroelectronics. Они посылают невидимый лазерный импульс с длиной волны 940 нм, измеряют время возвращения отражения с помощью счётчиков фотонов и передают результат прямо в миллиметрах по I2C. Они почти не зависят от цвета, их луч уже, чем у ультразвуковых датчиков, а измерение занимает 20–50 мс. VL53L0X измеряет примерно до 1,2 метра в режиме по умолчанию и до 2 метров в режиме увеличенной дальности; VL53L1X достигает 4 метров, а его поле зрения (ROI) можно сузить программно. I2C-адрес по умолчанию у обоих — 0x29. Код ниже использует библиотеку VL53L0X от Pololu; найди «VL53L0X» в «Менеджере библиотек» (Library Manager) и установи версию Pololu.

1#include <Wire.h>
2#include <VL53L0X.h>              // Pololu VL53L0X kütüphanesi / library
3
4VL53L0X sensor;
5
6void setup() {
7  Serial.begin(9600);
8  Wire.begin();                    // Uno: SDA A4, SCL A5 / ESP32: SDA 21, SCL 22
9  sensor.setTimeout(500);
10  if (!sensor.init()) {
11    Serial.println("VL53L0X bulunamadi / not found");
12    while (true) {}
13  }
14  // Uzun menzil modu (2 m'ye kadar, daha gürültülü) / long range mode (up to 2 m, noisier):
15  // sensor.setSignalRateLimit(0.1);
16  // sensor.setVcselPulsePeriod(VL53L0X::VcselPeriodPreRange, 18);
17  // sensor.setVcselPulsePeriod(VL53L0X::VcselPeriodFinalRange, 14);
18  sensor.setMeasurementTimingBudget(50000);   // 50 ms: daha kararlı ölçüm / steadier reading
19  sensor.startContinuous();
20}
21
22void loop() {
23  uint16_t mm = sensor.readRangeContinuousMillimeters();
24  if (sensor.timeoutOccurred()) {
25    Serial.println("Zaman asimi / timeout");
26  } else if (mm >= 8190) {         // 8190-8191: hedef yok / no target
27    Serial.println("Menzil disi / out of range");
28  } else {
29    Serial.print(mm);
30    Serial.println(" mm");
31  }
32}
33

Время, отведённое на измерение, определяет баланс точности и скорости: 20 мс — быстро, но с шумом, 200 мс — медленно, но стабильно. Солнечный свет и мощные инфракрасные источники заметно сокращают дальность; учитывай это при измерениях на улице. Чтобы подключить два VL53L0X к одной шине I2C, при одинаковом адресе 0x29 нужно удерживать один выключенным через пин XSHUT, а другому назначить новый адрес (setAddress); подробности I2C — в статье «Что такое I2C».

TF-Luna: 8 метров с компактным LiDAR

TF-Luna — компактный одноточечный LiDAR от Benewake: он измеряет время пролёта, модулируя инфракрасный свет с длиной волны 850 нм, работает от 0,2 до 8 метров с очень узким лучом всего 2 градуса и выполняет до 250 измерений в секунду. По умолчанию он передаёт каждое измерение по UART на скорости 115200 бод пакетом из 9 байт: два байта заголовка 0x59, расстояние (см), сила сигнала, внутренняя температура и контрольная сумма. Если сила сигнала ниже 100 или равна 65535 (засветка), измерение считается ненадёжным. Питание — 5 V, но логический уровень UART — 3,3 V, поэтому к ESP32 он подключается напрямую. Поскольку SoftwareSerial на Uno ненадёжно работает на скорости 115200 бод, выбирай плату с аппаратным UART, например ESP32 или Mega; логика разбора UART-пакетов описана в статье «Последовательная связь UART».

1// TF-Luna LiDAR, UART (115200), ESP32 Serial2
2// TF-Luna TX -> GPIO 16, RX -> GPIO 17, VCC 5V, GND
3const int RXD2 = 16, TXD2 = 17;
4
5uint8_t kare[9];                   // 0x59 0x59 DistL DistH AmpL AmpH TempL TempH Checksum
6int konum = 0;
7
8void setup() {
9  Serial.begin(115200);
10  Serial2.begin(115200, SERIAL_8N1, RXD2, TXD2);
11}
12
13void loop() {
14  while (Serial2.available()) {
15    uint8_t b = Serial2.read();
16    if (konum < 2) {               // iki 0x59 başlık baytını bekle / wait for two 0x59 header bytes
17      if (b == 0x59) kare[konum++] = b;
18      else konum = 0;
19      continue;
20    }
21    kare[konum++] = b;
22    if (konum < 9) continue;
23    konum = 0;
24
25    uint8_t toplam = 0;
26    for (int i = 0; i < 8; i++) toplam += kare[i];
27    if (toplam != kare[8]) continue;             // sağlama toplamı hatalı / bad checksum
28
29    uint16_t mesafe = kare[2] | (kare[3] << 8);  // cm
30    uint16_t guc = kare[4] | (kare[5] << 8);     // sinyal gücü / signal strength
31    float derece = (kare[6] | (kare[7] << 8)) / 8.0 - 256.0;
32
33    if (guc < 100 || guc == 65535) {             // zayıf ya da aşırı sinyal / weak or saturated
34      Serial.println("Guvenilmez / unreliable");
35    } else {
36      Serial.print(mesafe);
37      Serial.print(" cm  guc / amp: ");
38      Serial.print(guc);
39      Serial.print("  ic sicaklik / chip temp: ");
40      Serial.println(derece, 1);
41    }
42  }
43}
44

TCRT5000: обнаружение приближения и линии

TCRT5000 — не дальномер, а отражательный датчик: свет инфракрасного светодиода отражается от поверхности, а расположенный рядом фототранзистор измеряет, сколько света вернулось. Лучше всего он работает примерно на 2,5 мм, а дальше 1,5 см сигнал быстро ослабевает. Белые поверхности отражают много света, а чёрные — очень мало, поэтому даже на одинаковом расстоянии значения сильно зависят от цвета; именно поэтому датчик используют для различения чёрного и белого в роботах, следующих по линии, подсчёта отверстий в дисках энкодеров и обнаружения очень близких объектов. Компаратор модуля переключает цифровой выход при пересечении порога, заданного потенциометром. Подробности — в статье «Инфракрасный датчик TCRT5000».

1// TCRT5000 modülü: DO dijital, AO analog / TCRT5000 module: DO digital, AO analog
2const int DO_PIN = 7;
3const int AO_PIN = A1;
4const int LED_PIN = 13;
5
6void setup() {
7  Serial.begin(9600);
8  pinMode(DO_PIN, INPUT);
9  pinMode(LED_PIN, OUTPUT);
10}
11
12void loop() {
13  bool nesneVar = (digitalRead(DO_PIN) == LOW);  // çoğu modülde LOW = yansıma var / LOW = reflection on most modules
14  int yansima = analogRead(AO_PIN);              // düşük değer = güçlü yansıma / low value = strong reflection
15  digitalWrite(LED_PIN, nesneVar);
16  Serial.print(nesneVar ? "Nesne VAR / object  " : "Nesne yok / none  ");
17  Serial.println(yansima);
18  delay(100);
19}
20

Влияние поверхности и окружающих условий

Заявленная дальность датчика меняется при работе с конкретной поверхностью. Ультразвуковые датчики отлично справляются с твёрдыми поверхностями, отражающими звук, но испытывают трудности с поглощающей его тканью; оптическим датчикам важны цвет, блеск и солнечный свет. Таблица ниже поможет при проектировании понять, какой датчик сохраняет надёжность в разных условиях.

Сводка подключений: Uno, ESP32 и Pico

Ультразвуковые измерения с Raspberry Pi Pico

В MicroPython длительность импульса измеряется функцией machine.time_pulse_us(); она выполняет ту же задачу, что pulseIn() на Arduino, и при таймауте возвращает отрицательное значение. Подай питание на HC-SR04 с пина VBUS (USB 5 V) платы Pico и установи делитель 1 kΩ + 2 kΩ на линию ECHO либо используй HC-SR04P, который работает напрямую от 3,3 V. Для VL53L0X и TF-Luna тоже есть драйверы MicroPython; UART-пакет TF-Luna легко разобрать с помощью machine.UART по той же логике, что и в коде Arduino.

1from machine import Pin, time_pulse_us
2import time
3
4trig = Pin(14, Pin.OUT)
5echo = Pin(15, Pin.IN)             # 5 V ECHO için gerilim bölücü şart / divider required for a 5 V ECHO
6SES_HIZI = 0.0343                  # cm/µs, 20 °C
7
8def mesafe_olc():
9    trig.low()
10    time.sleep_us(2)
11    trig.high()
12    time.sleep_us(10)              # 10 µs tetik / 10 µs trigger
13    trig.low()
14    sure = time_pulse_us(echo, 1, 30000)   # zaman aşımında eksi döner / negative on timeout
15    if sure < 0:
16        return None
17    return sure * SES_HIZI / 2
18
19while True:
20    d = mesafe_olc()
21    print("Menzil disi" if d is None else "{:.1f} cm".format(d))
22    time.sleep_ms(100)
23

Какой датчик расстояния выбрать для проекта?

Ещё несколько идей: поворачивай HC-SR04 сервоприводом, чтобы создать дисплей радара на Arduino; поставь один HC-SR04 спереди и два VL53L0X по бокам робота, объезжающего препятствия; открывай крышку умного мусорного ведра при приближении руки; собери переносную цифровую рулетку с OLED-дисплеем или передавай уровень заполнения бака на телефон через ESP32 с JSN-SR04T.

Частые ошибки и их решения

Датчики расстояния — самый простой способ дать проектам на Arduino возможность воспринимать окружение, а правильный выбор определяет, будет ли проект работать стабильно или постоянно раздражать. Таблицы и код в этом сравнении помогут найти баланс цены и характеристик под твои задачи. В приложении BlueGrays есть пошаговые проекты со схемами и кодом: измерение расстояния с HC-SR04, парктроник, ростомер, робот, объезжающий препятствия, парктроник на ESP32 и измерение расстояния с TCRT5000.