Arduino Mesafe Sensörü Çeşitleri: HC-SR04, IR, VL53L0X ve LiDAR

Arduino mesafe sensörü çeşitleri arasında seçim yapmak, ilk bakışta "hangisi en uzağı ölçüyor" sorusu gibi görünür, ama asıl belirleyici olan ölçeceğin yüzey, gereken doğruluk, ışının ne kadar dar olması gerektiği ve ortam koşullarıdır. Aynı HC-SR04, duvara olan mesafeyi santimetre doğrulukla ölçerken bir koltuğun yumuşak kumaşında kararsızlaşabilir; ucuz bir lazer sensör ise milimetre hassasiyet verirken güneş altında menzilinin yarısını kaybedebilir. Bu rehberde Arduino projelerinde en sık kullanılan altı sensörü yan yana koyuyoruz.

Karşılaştıracağımız sensörler: ultrasonik HC-SR04 ve su geçirmez kardeşi JSN-SR04T, kızılötesi üçgenleme yapan Sharp GP2Y0A21, lazer uçuş süresi (ToF) sensörleri VL53L0X ve VL53L1X, küçük bir LiDAR olan TF-Luna ve kısa mesafe yakınlık sensörü TCRT5000. Her biri için çalışma prensibini, menzilini, doğruluğunu, ışın açısını, yüzeylere tepkisini ve arayüzünü anlatıyor, derlenmiş birer örnek kod veriyoruz. Sonunda hangi projede hangisinin seçilmesi gerektiğini bir tabloyla özetliyoruz.

Mesafe sensörleri nasıl ölçer? Üç temel prensip

Arduino'da kullanılan mesafe sensörlerinin neredeyse hepsi üç yöntemden birini kullanır. Uçuş süresi (time of flight): sensör bir ses ya da ışık darbesi gönderir ve yansımanın geri dönme süresini ölçer; mesafe, süre ile hızın çarpımının yarısıdır. Ultrasonik sensörler sesle, VL53L0X ve TF-Luna ise ışıkla bu ölçümü yapar. Işık sesten yaklaşık bir milyon kat hızlı olduğu için ToF sensörleri pikosaniye düzeyinde zamanlama yapan özel yongalar içerir. Üçgenleme (triangulation): Sharp IR sensörleri kızılötesi ışını hedefe gönderir, yansıyan ışığın konuma duyarlı bir dedektörün (PSD) neresine düştüğüne bakar; yakın cisimlerde nokta bir uca, uzak cisimlerde diğer uca kayar. Yansıma şiddeti: TCRT5000 gibi basit sensörler yalnızca geri dönen ışığın ne kadar güçlü olduğunu ölçer; bu, yüzey renginden çok etkilendiği için gerçek bir mesafe ölçümü değil, yakınlık algılamasıdır.

Büyük karşılaştırma tablosu

Aşağıdaki tablo, sensörlerin tipik modül değerlerini bir araya getiriyor. Menzil değerleri üreticilerin verdiği aralıklardır; gerçek projede yüzeye ve ortama bağlı olarak daha kısa olabilir. Fiyatlar ülkeden ülkeye değiştiği için göreli olarak verilmiştir.

HC-SR04: ultrasonik klasik

HC-SR04, 40 kHz'lik sekiz ses darbesi gönderir ve yankı geri gelene kadar ECHO pinini HIGH tutar. Arduino bu darbenin süresini pulseIn() ile mikrosaniye cinsinden ölçer. Ses 20 °C'de saniyede yaklaşık 343 metre, yani mikrosaniyede 0,0343 cm yol alır; ses hedefe gidip geri döndüğü için mesafe = süre × 0,0343 / 2 olur. Ses hızı sıcaklıkla değişir (yaklaşık 331,3 + 0,606 × T m/s): 0 °C ile 35 °C arasında yaklaşık %6 fark vardır, yani 2 metrede 12 cm'ye varan hata demektir. Aşağıdaki kod bu düzeltmeyi yapar ve beş ölçümün ortancasını alarak ara sıra gelen hatalı yankıları ayıklar.

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

• Ölçümler arasında en az 60 ms bekle: Önceki darbenin yankıları odada dolaşırken yeni ölçüm yaparsan yanlış sonuç alırsın.
• Yumuşak ve açılı yüzeyler: Kumaş, sünger ve perde sesi emer; 45 dereceden fazla eğik yüzeyler yankıyı sensöre değil başka yöne yansıtır.
• Geniş ışın: Yaklaşık 15 derecelik koni, 2 metrede 50 cm'ye yakın bir alanı kapsar; dar bir koridorda yan duvarları da görebilir.
• 3,3 V kartlar: Klasik HC-SR04 5 V ister ve ECHO çıkışı 5 V verir; ESP32 ve Pico'da ECHO'ya bir gerilim bölücü koy ya da 3,3 V ile çalışan HC-SR04P kullan.
• Birden fazla sensör: Aynı anda tetiklenen iki HC-SR04 birbirinin yankısını duyar; sırayla tetikle.

HC-SR04'ün bağlantısı, Seri Monitör ve LCD ile kullanımı HC-SR04 mesafe sensörü yazısında ayrıntılı anlatılıyor; bu yazıda karşılaştırmaya odaklanıyoruz.

JSN-SR04T: su geçirmez ultrasonik

JSN-SR04T, HC-SR04 ile aynı tetik ve yankı mantığıyla çalışır ama dönüştürücüsü kablolu, su geçirmez bir kapsülün içindedir; elektronik kart ise ayrı durur. Bu yüzden su deposu, kuyu, yağmur suyu tankı ve dış mekân park sensörü gibi nemli yerler için tercih edilir. İki önemli farkı vardır: tek bir dönüştürücü hem gönderip hem dinlediği için yakın mesafede bir ölü bölge (yaklaşık 20–25 cm) oluşur, ışın da HC-SR04'ten geniştir. Sensörü deponun üst kapağına, en yüksek su seviyesinin en az 25 cm yukarısına monte etmelisin. Aşağıdaki kod mesafeyi doluluk yüzdesine çevirir.

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: analog kızılötesi

Sharp GP2Y0A21YK0F, 10–80 cm arasında çalışan ve mesafeye göre analog bir gerilim veren bir kızılötesi sensördür. Üçgenleme kullandığı için yansıma şiddetine göre çalışan sensörlerden farklı olarak hedefin rengine az duyarlıdır. Çıkışı doğrusal değildir: yaklaşık 10 cm'de 2,3 V, 80 cm'de 0,4 V verir ve ikisi arasında ters üstel bir eğri izler. Kod bu eğriyi mesafe = 29,988 × V^-1,173 yaklaşımıyla çevirir. En önemli tuzak 10 cm'nin altıdır: hedef yaklaştıkça çıkış yeniden düşer ve 5 cm'deki bir cisim 20 cm'deymiş gibi görünebilir. Sensörü, hedefin 10 cm'den fazla yaklaşamayacağı şekilde yerleştirmelisin.

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

Sharp sensörler ölçüm sırasında kısa süreli yüksek akım darbeleri çeker ve bu darbeler besleme hattında gürültü yaratır. Sensörün VCC ve GND uçlarına yakın 10 µF civarında bir kondansatör koymak okumaları belirgin şekilde sakinleştirir. Ailenin farklı menzilli üyeleri de vardır: GP2Y0A41SK0F 4–30 cm, GP2Y0A02YK0F 20–150 cm aralığında çalışır; her birinin eğri katsayıları farklıdır.

VL53L0X ve VL53L1X: lazer ToF sensörleri

VL53L0X ve VL53L1X, STMicroelectronics'in küçücük lazer uçuş süresi sensörleridir. 940 nm'lik görünmez bir lazer darbesi gönderir, foton sayaçlarıyla yansımanın dönüş süresini ölçer ve sonucu doğrudan milimetre olarak I2C üzerinden verirler. Renkten neredeyse bağımsızdırlar, ışınları ultrasoniğe göre dardır ve ölçüm 20–50 ms içinde tamamlanır. VL53L0X varsayılan modda yaklaşık 1,2 metreye, uzun menzil modunda 2 metreye kadar ölçer; VL53L1X ise 4 metreye çıkar ve görüş alanı (ROI) yazılımla daraltılabilir. Her ikisinin de varsayılan I2C adresi 0x29'dur. Aşağıdaki kod Pololu'nun VL53L0X kütüphanesini kullanır; Kütüphane Yöneticisi'nde "VL53L0X" araması ile Pololu sürümünü kur.

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

Ölçüm süresi bütçesi (timing budget) doğrulukla hız arasındaki dengeyi belirler: 20 ms hızlı ama gürültülü, 200 ms yavaş ama kararlıdır. Güneş ışığı ve güçlü kızılötesi kaynaklar menzili belirgin şekilde kısaltır; dış mekânda ölçüm yapacaksan bunu hesaba kat. Aynı I2C hattına iki VL53L0X bağlamak istersen ikisinin de adresi 0x29 olduğu için XSHUT pinleriyle birini kapatıp diğerine yeni adres verirsin (setAddress); I2C ayrıntıları I2C nedir yazısında.

TF-Luna: küçük LiDAR ile 8 metre

TF-Luna, Benewake'in tek noktalı küçük LiDAR sensörüdür: 850 nm'lik bir kızılötesi ışık modüle ederek uçuş süresini ölçer, 0,2–8 metre arasında, yalnızca 2 derecelik çok dar bir ışınla çalışır ve saniyede 250'ye kadar ölçüm yapabilir. Ölçümü varsayılan olarak 115200 baud'da UART üzerinden 9 baytlık paketler hâlinde gönderir: iki adet 0x59 başlık baytı, mesafe (cm), sinyal gücü, iç sıcaklık ve bir sağlama toplamı. Sinyal gücü 100'ün altındaysa ya da 65535 ise (aşırı yansıma) ölçüm güvenilmez kabul edilir. 5 V ile beslenir ama UART lojik seviyesi 3,3 V'tur; bu yüzden ESP32'ye doğrudan bağlanır. Uno'nun SoftwareSerial'ı 115200 baud'da güvenilir olmadığı için ESP32 ya da Mega gibi donanım UART'ı olan bir kart tercih et; UART paket çözümlemenin mantığı UART seri haberleşme yazısında.

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: yakınlık ve çizgi algılama

TCRT5000 bir mesafe ölçer değil, bir yansıma sensörüdür: kızılötesi LED'in ışığı yüzeyden geri döner ve yanındaki fototransistör ne kadar ışık geldiğini ölçer. En iyi çalıştığı mesafe yaklaşık 2,5 mm'dir ve 1,5 cm'den sonra sinyal hızla zayıflar. Beyaz yüzey çok, siyah yüzey çok az yansıttığı için aynı mesafede bile renge göre bambaşka değerler verir; bu yüzden çizgi izleyen robotlarda siyah-beyaz zemin ayrımı, enkoder disklerinde delik sayma ve çok yakın nesne algılamada kullanılır. Modüllerdeki karşılaştırıcı, potla ayarlanan eşiği aşınca dijital çıkışı değiştirir. Ayrıntılar TCRT5000 kızılötesi sensör yazısında.

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

Yüzey ve ortam etkisi

Bir sensörün kâğıt üzerindeki menzili, ölçtüğün yüzeyle karşılaştığında değişir. Ultrasonik sensörler sesi yansıtan sert yüzeylerde mükemmeldir ama sesi emen kumaşta zorlanır; ışık kullanan sensörler ise rengi, parlaklığı ve güneş ışığını önemser. Aşağıdaki tablo, projeni tasarlarken hangi durumda hangi sensörün güvenilir kalacağını gösteriyor.

Bağlantı özeti: Uno, ESP32 ve Pico

Raspberry Pi Pico ile ultrasonik ölçüm

MicroPython'da darbe süresini ölçmek için machine.time_pulse_us() fonksiyonu kullanılır; Arduino'daki pulseIn() ile aynı işi yapar ve zaman aşımında eksi bir değer döndürür. HC-SR04'ü Pico'nun VBUS (USB 5 V) pininden besle, ECHO hattına 1 kΩ + 2 kΩ'luk bir bölücü koy ya da doğrudan 3,3 V ile çalışan HC-SR04P kullan. VL53L0X ve TF-Luna için de MicroPython sürücüleri vardır; TF-Luna'nın UART paketini Arduino kodundaki mantıkla machine.UART üzerinden kolayca çözebilirsin.

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

Hangi projede hangi mesafe sensörü?

Proje fikirleri için de birkaç öneri: HC-SR04'ü bir servo üzerinde döndürerek Arduino radar ekranı yap; engelden kaçan robotunda önde bir HC-SR04, yanlarda iki VL53L0X kullan; akıllı çöp kutusunda kapağı el yaklaşınca aç; bir OLED ekranla taşınabilir dijital metre yap ya da JSN-SR04T ile su deposunun doluluğunu ESP32 üzerinden telefonuna gönder.

Sık yapılan hatalar ve çözümleri

Mesafe sensörleri, Arduino projelerine çevresini algılama yeteneği kazandırmanın en kolay yoludur; doğru sensörü seçmek, aynı projenin kararlı ya da sinir bozucu çalışması arasındaki farktır. Bu karşılaştırmadaki tablolar ve kodlar, ihtiyacına göre bütçe ile performansı dengelemene yardım eder. BlueGrays uygulamasında HC-SR04 ile mesafe ölçme, park sensörü, boy ölçüm, engelden kaçan robot, ESP32 park sensörü ve TCRT5000 ile mesafe ölçme projelerini adım adım devre şemaları ve kodlarıyla bulabilirsin.