Проект 5: Ультразвуковой дальномер RCWL-9610A

Введение

Представьте, что ваш робот Phobo может «видеть» препятствия на своём пути, как летучая мышь использует эхолокацию! В этом уроке мы научим Arduino измерять расстояние до объектов с помощью современного ультразвукового датчика RCWL-9610A.

RCWL-9610A — это электронные «глаза» вашего робота. Он посылает ультразвуковой сигнал (как писк летучей мыши, только мы его не слышим), сигнал отражается от препятствия и возвращается обратно. Arduino измеряет время и вычисляет расстояние до объекта.

Зачем это нужно?

Робот сможет объезжать препятствия
Робот не упадёт с края стола
Можно создать парковочный радар
Можно измерять уровень воды в баке
В будущем датчик будет вращаться на сервоприводе, сканируя пространство!

Примечание

Важно: В этом проекте впервые устанавливаем библиотеку AlashUltrasonic!

Что такое RCWL-9610A?

О датчике

RCWL-9610A — это современная версия популярного датчика HC-SR04, выпущенная в 2022 году. Это улучшенный модуль с дополнительными возможностями, но мы будем использовать его в классическом режиме GPIO, который полностью совместим со старым HC-SR04.

Главные преимущества RCWL-9610A перед старым HC-SR04:

✅ Гибкое питание: работает от 3V до 5V (старый HC-SR04 требует строго 5V)

✅ Больший радиус действия: до 450 см вместо 400 см

✅ 4 режима работы: GPIO (как HC-SR04), I2C, UART, 1-Wire

✅ Улучшенная схемотехника: более стабильные измерения, меньше помех

✅ Обратная совместимость: работает с любым кодом для HC-SR04

Примечание

О режимах работы: На обратной стороне модуля есть контактные площадки M1 и M2 для выбора режима. По умолчанию обе площадки не запаяны — это режим GPIO (Trig/Echo), который мы и будем использовать. В будущих продвинутых проектах можно переключить датчик на режим I2C или UART для экономии пинов Arduino.

Технические характеристики

Модель: RCWL-9610A (версия 2022 года)
Рабочее напряжение: 3V - 5V (мы используем 5V от Arduino)
Рабочий ток: 15 mA (очень экономичный!)
Рабочая частота: 40 кГц (ультразвук, не слышим ушами)
Дальность измерения: от 2 см до 450 см (4.5 метра!)
Точность: ±3 мм (очень точный!)
Угол обзора: 15° (узкий луч, как фонарик)
Режимы работы: GPIO / I2C / UART / 1-Wire (мы используем GPIO)
Размер: 45×20×15 мм
Вес: 9 грамм (лёгкий, как две карамельки)
Совместимость: 100% совместим с кодом для HC-SR04

Как работает датчик?

RCWL-9610A в режиме GPIO имеет 4 вывода:

VCC — питание +5V (красный провод)
Trig (Trigger) — запускает измерение (любой цвет)
Echo — принимает отражённый сигнал (любой цвет)
GND — земля, минус питания (чёрный провод)

Процесс измерения (в режиме GPIO):

Arduino подаёт короткий импульс (10 микросекунд) на вывод Trig
RCWL-9610A посылает 8 ультразвуковых импульсов частотой 40 кГц
Ультразвук летит до препятствия и отражается обратно
RCWL-9610A принимает отражённый сигнал и подаёт сигнал на вывод Echo
Arduino измеряет, сколько времени был активен сигнал Echo
По времени вычисляется расстояние

Формула:

Расстояние (см) = Время (микросекунды) / 58.2

Почему делим на 58.2? Скорость звука ~340 м/с, звук летит туда и обратно (×2), плюс перевод единиц. Но не волнуйтесь — библиотека всё посчитает за нас!

Примечание

Интересный факт: Летучие мыши используют такой же принцип! Они издают ультразвуковые писки и по эху «видят» мир. Это называется эхолокация. Наш робот Phobo будет использовать такую же технологию!

Установка библиотеки AlashUltrasonic

Библиотека — это готовый набор команд для работы с устройством.

Аналогия: Представьте, что вы готовите пельмени. Можно лепить их вручную (долго и сложно), а можно купить готовые замороженные и просто сварить (быстро и просто). Библиотека — это «готовые пельмени» для программиста! 🥟

Используем библиотеку AlashUltrasonic — поддерживает HC-SR04 и RCWL-9610A во всех режимах (GPIO, I2C, UART, 1-Wire).

Установка: Library Manager → поиск AlashUltrasonic → Install

Подробная инструкция по установке библиотек — см. Урок 1.

Подключение

Робот собран в Проекте 1. RCWL-9610A подключен к Sensor Shield:

Trig → D3
Echo → D7

Примечание

Режим GPIO: контакты M1 и M2 на обратной стороне датчика не запаяны.

Программирование

Теперь напишем программу, которая будет измерять расстояние и выводить его в монитор порта.

Код программы

Шаг 1: Откройте Arduino IDE

Шаг 2: Создайте новый скетч: Файл → Создать

Шаг 3: Скопируйте и вставьте следующий код:

/*
 * Проект 5: Ультразвуковой дальномер RCWL-9610A
 * Робот Phobo — Alash Electronics
 *
 * Датчик RCWL-9610A (режим GPIO) измеряет расстояние до препятствий
 * и выводит результат в монитор порта
 */

#include <AlashUltrasonic.h>  // Подключаем библиотеку

// Задаём номера пинов
const uint8_t TRIGGER_PIN = 3;  // Trig на D3
const uint8_t ECHO_PIN = 7;     // Echo на D7

// Создаём объект датчика
AlashUltrasonic sensor(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);

void setup() {
  // Запускаем монитор порта со скоростью 9600
  Serial.begin(9600);

  // Инициализируем датчик
  sensor.begin();

  Serial.println("=== Робот Phobo: Ультразвуковой дальномер ===");
  Serial.println("Измеряем расстояние до препятствий...");
  Serial.println();
}

void loop() {
  // Измеряем расстояние в сантиметрах
  float distance = sensor.getDistance();

  // Выводим результат в монитор порта
  Serial.print("Расстояние: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" см");

  // Задержка 500 мс (0.5 секунды) между измерениями
  delay(500);
}

Объяснение кода

Давайте разберём код построчно:

1. Подключение библиотеки:

#include <AlashUltrasonic.h>

#include — команда «включить» библиотеку. Теперь мы можем использовать готовые функции для работы с RCWL-9610A (и HC-SR04).

2. Определение пинов:

const uint8_t TRIGGER_PIN = 3;  // Trig на D3
const uint8_t ECHO_PIN = 7;     // Echo на D7

const uint8_t — константа (неизменяемое значение) типа «беззнаковое 8-битное целое число» TRIGGER_PIN и ECHO_PIN — имена констант (традиционно пишутся БОЛЬШИМИ_БУКВАМИ) = 3 и = 7 — значения пинов на Arduino

Зачем так делать? Если позже захотим изменить пины, достаточно поменять цифры здесь, а не искать их по всему коду!

3. Создание объекта датчика:

AlashUltrasonic sensor(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);

AlashUltrasonic — тип объекта (класс из библиотеки) sensor — имя нашего датчика (можно назвать как угодно) (TRIGGER_PIN, ECHO_PIN) — передаём номера пинов через константы

Аналогия: Это как назвать своего робота-пылесоса «Вася» — теперь вы можете говорить «Вася, убери комнату», и он поймёт команду. Здесь мы создали датчик по имени sensor и сказали ему, к каким пинам подключён.

4. Функция setup() — выполняется один раз при включении:

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensor.begin();
  Serial.println("=== Робот Phobo: Ультразвуковой дальномер ===");
}

Serial.begin(9600) — запускает связь Arduino с компьютером со скоростью 9600 бит/сек sensor.begin() — важно! Инициализирует датчик, настраивает пины Trig и Echo Serial.println(...) — выводит текст в монитор порта

5. Функция loop() — повторяется бесконечно:

void loop() {
  float distance = sensor.getDistance();
  Serial.print("Расстояние: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" см");
  delay(500);
}

float distance — создаём переменную для хранения расстояния (тип float — число с плавающей точкой, может быть 12.5, 34.8 и т.д.) sensor.getDistance() — главная функция библиотеки! Измеряет расстояние и возвращает результат в сантиметрах Serial.print(...) — выводит текст БЕЗ переноса строки Serial.println(...) — выводит текст С переносом строки delay(500) — ждёт 500 миллисекунд (0.5 секунды)

Примечание

Почему delay(500)? RCWL-9610A может измерять до 50 раз в секунду, но нам не нужно так часто. 2 измерения в секунду (каждые 500 мс) — оптимально для наблюдения за данными в мониторе порта.

Загрузка и тест

Загрузите код (без батарей!)
Откройте Serial Monitor (9600 baud)
В мониторе порта должны появиться строки:

=== Робот Phobo: Ультразвуковой дальномер ===
Измеряем расстояние до препятствий...

Расстояние: 45 см
Расстояние: 45 см
Расстояние: 23 см
Расстояние: 12 см
Расстояние: 12 см

Попробуйте: Поднесите руку к датчику — цифры должны уменьшаться. Отведите руку — цифры увеличиваются!

Эксперименты

Теперь, когда датчик работает, попробуем несколько интересных экспериментов с визуализацией в мониторе порта!

Эксперимент 1: Парковочный радар для робота

Задача: Создать систему парковки задним ходом для робота Phobo. Представьте, что робот едет назад к стене и датчик измеряет расстояние. Программа должна рекомендовать безопасную скорость движения и предупредить, когда нужно остановиться.

Логика работы:

Более 50 см: Можно ехать назад быстро (5 км/ч)
30-50 см: Средняя дистанция, снизить скорость (3 км/ч)
15-30 см: Близко к препятствию, ехать медленно (1 км/ч)
Менее 15 см: СТОП! Остановить машину

Полный код:

/*
 * Эксперимент 1: Парковочный радар робота Phobo
 * Измеряет расстояние и выводит рекомендуемую скорость
 */

#include <AlashUltrasonic.h>

const uint8_t TRIGGER_PIN = 3;
const uint8_t ECHO_PIN = 7;
AlashUltrasonic sensor(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensor.begin();

  Serial.println("=== Phobo Parking Radar ===");
  Serial.println("Система помощи при парковке задним ходом");
  Serial.println();
}

void loop() {
  float distance = sensor.getDistance();

  // Выводим текущее расстояние
  Serial.print("Расстояние до препятствия: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" см");

  // Рекомендуемая скорость в зависимости от расстояния
  if (distance < 2 || distance > 450) {
    Serial.println("⚠️  Датчик вне диапазона!");
  }
  else if (distance >= 50) {
    Serial.println("✅ Путь свободен! Можно ехать назад.");
    Serial.println("🚗 Рекомендуемая скорость: 5 км/ч");
  }
  else if (distance >= 30) {
    Serial.println("⚠️  Препятствие обнаружено на средней дистанции.");
    Serial.println("🚗 Рекомендуемая скорость: 3 км/ч");
  }
  else if (distance >= 15) {
    Serial.println("⚠️  ВНИМАНИЕ! Препятствие близко!");
    Serial.println("🐌 Рекомендуемая скорость: 1 км/ч (медленно)");
  }
  else {
    Serial.println("🛑 СТОП! ОСТАНОВИТЬ МАШИНУ!");
    Serial.println("❌ Расстояние менее 15 см - опасность столкновения!");
  }

  Serial.println("-----------------------------------");
  delay(1000);  // Обновление каждую секунду
}

Что должно получиться:

Поставьте датчик перед стеной на расстоянии ~70 см и медленно приближайте его к стене. В мониторе порта вы увидите, как система предупреждает о приближении и рекомендует снижать скорость!

Пример вывода:

=== Phobo Parking Radar ===
Система помощи при парковке задним ходом

Расстояние до препятствия: 65 см
✅ Путь свободен! Можно ехать назад.
🚗 Рекомендуемая скорость: 5 км/ч
-----------------------------------
Расстояние до препятствия: 35 см
⚠️  Препятствие обнаружено на средней дистанции.
🚗 Рекомендуемая скорость: 3 км/ч
-----------------------------------
Расстояние до препятствия: 20 см
⚠️  ВНИМАНИЕ! Препятствие близко!
🐌 Рекомендуемая скорость: 1 км/ч (медленно)
-----------------------------------
Расстояние до препятствия: 12 см
🛑 СТОП! ОСТАНОВИТЬ МАШИНУ!
❌ Расстояние менее 15 см - опасность столкновения!
-----------------------------------

Эксперимент 2: Графический индикатор расстояния

Задача: Создать визуальную шкалу расстояния в мониторе порта с помощью символов █. Чем ближе препятствие, тем короче «полоска». Это похоже на индикатор уровня громкости или заряда батареи!

Диапазон: от 2 см (минимум) до 50 см (максимум)

Полный код:

/*
 * Эксперимент 2: Графический индикатор расстояния
 * Визуализация расстояния в виде полоски из символов
 */

#include <AlashUltrasonic.h>

const uint8_t TRIGGER_PIN = 3;
const uint8_t ECHO_PIN = 7;
AlashUltrasonic sensor(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensor.begin();

  Serial.println("=== Phobo Distance Indicator ===");
  Serial.println("Графический индикатор расстояния (2-50 см)");
  Serial.println();
}

void loop() {
  float distance = sensor.getDistance();

  // Ограничиваем диапазон от 2 до 50 см
  if (distance < 2) distance = 2;
  if (distance > 50) distance = 50;

  // Выводим числовое значение
  Serial.print("Расстояние: ");
  if (distance < 10) Serial.print(" ");  // Выравнивание для красоты
  Serial.print(distance, 0);  // 0 знаков после запятой
  Serial.print(" см |");

  // Вычисляем количество блоков (от 0 до 25)
  // 2 см = 0 блоков, 50 см = 25 блоков
  int blocks = map((int)distance, 2, 50, 0, 25);

  // Рисуем полоску из символов █
  for (int i = 0; i < blocks; i++) {
    Serial.print("█");
  }

  // Дополняем пустыми пробелами до 25 символов
  for (int i = blocks; i < 25; i++) {
    Serial.print(" ");
  }

  Serial.print("| ");

  // Текстовое описание
  if (distance <= 10) {
    Serial.println("Очень близко!");
  } else if (distance <= 20) {
    Serial.println("Близко");
  } else if (distance <= 35) {
    Serial.println("Средняя дистанция");
  } else {
    Serial.println("Далеко");
  }

  delay(200);  // Быстрое обновление для плавной анимации
}

Что должно получиться:

Приближайте и отдаляйте руку от датчика — вы увидите, как «полоска» из символов █ удлиняется и укорачивается в реальном времени!

Пример вывода:

=== Phobo Distance Indicator ===
Графический индикатор расстояния (2-50 см)

Расстояние: 45 см |████████████████████████ | Далеко
Расстояние: 38 см |███████████████████      | Средняя дистанция
Расстояние: 25 см |████████████             | Средняя дистанция
Расстояние: 18 см |████████                 | Близко
Расстояние:  8 см |███                      | Очень близко!
Расстояние:  3 см |                         | Очень близко!

Дополнительная задача: Попробуйте изменить максимальную дистанцию на 100 см и количество блоков на 50 — получится более точная шкала!

Эксперимент 3: Детектор движения руки

Задача: Научить Arduino распознавать движение руки перед датчиком (приближение или отдаление). Это пригодится для жестового управления роботом!

Логика работы:

Программа запоминает предыдущее расстояние и сравнивает с текущим. Если расстояние уменьшается — рука приближается, если увеличивается — отдаляется.

Полный код:

/*
 * Эксперимент 3: Детектор движения руки
 * Определяет направление движения объекта
 */

#include <AlashUltrasonic.h>

const uint8_t TRIGGER_PIN = 3;
const uint8_t ECHO_PIN = 7;
AlashUltrasonic sensor(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN);

float previousDistance = 0;  // Хранит предыдущее измерение

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  sensor.begin();

  Serial.println("=== Phobo Motion Detector ===");
  Serial.println("Детектор движения руки");
  Serial.println("Поднесите руку к датчику...");
  Serial.println();

  // Первое измерение для инициализации
  previousDistance = sensor.getDistance();
  delay(500);
}

void loop() {
  float currentDistance = sensor.getDistance();

  // Вычисляем разницу между текущим и предыдущим измерением
  float difference = currentDistance - previousDistance;

  // Выводим данные
  Serial.print("Расстояние: ");
  Serial.print(currentDistance, 0);  // 0 знаков после запятой
  Serial.print(" см | ");

  // Определяем направление движения
  if (abs(difference) < 2) {
    // Изменение меньше 2 см — считаем объект неподвижным
    Serial.println("⏸️  Объект неподвижен");
  }
  else if (difference < 0) {
    // Расстояние уменьшилось — приближение
    Serial.print("👋 Приближается! (");
    Serial.print(abs(difference), 0);
    Serial.println(" см)");
  }
  else {
    // Расстояние увеличилось — отдаление
    Serial.print("👋 Отдаляется! (");
    Serial.print(difference, 0);
    Serial.println(" см)");
  }

  // Сохраняем текущее расстояние для следующей итерации
  previousDistance = currentDistance;

  delay(300);  // Обновление 3 раза в секунду
}

Что должно получиться:

Медленно приближайте и отдаляйте руку от датчика — программа будет распознавать направление движения и показывать скорость изменения расстояния!

Пример вывода:

=== Phobo Motion Detector ===
Детектор движения руки
Поднесите руку к датчику...

Расстояние: 45 см | ⏸️  Объект неподвижен
Расстояние: 42 см | 👋 Приближается! (3 см)
Расстояние: 37 см | 👋 Приближается! (5 см)
Расстояние: 31 см | 👋 Приближается! (6 см)
Расстояние: 28 см | 👋 Приближается! (3 см)
Расстояние: 28 см | ⏸️  Объект неподвижен
Расстояние: 32 см | 👋 Отдаляется! (4 см)
Расстояние: 39 см | 👋 Отдаляется! (7 см)

Дополнительная задача: Добавьте счётчик взмахов руки! Если рука резко приблизилась (более 10 см за одно измерение) — это взмах. Считайте количество взмахов и выводите: «Взмах #1», «Взмах #2» и т.д.

Решение проблем

Проблема 1: В мониторе порта только нули (0 см)

Причины:

Неправильное подключение проводов
Перепутаны Trig и Echo
Датчик не получает питание

Решение:

Проверьте все 4 провода — они должны сидеть плотно
Убедитесь: VCC → +5V, GND → GND, Trig → D3, Echo → A5
Убедитесь, что вызвали sensor.begin() в функции setup()
Попробуйте поменять местами Trig и Echo: AlashUltrasonic sensor(A5, 3); вместо (3, A5)

Проблема 2: Расстояние скачет (то 20 см, то 300 см, то 0 см)

Причины:

Плохой контакт в проводах
Помехи от других устройств
Измерение на слишком большом расстоянии (>4 метров)

Решение:

Пошевелите провода — если показания меняются, переподключите провода
Убедитесь, что перед датчиком есть объект в пределах 2-400 см
Добавьте фильтрацию в код:

float distance = sensor.getDistance();
if (distance < 2 || distance > 450) {
  Serial.println("Вне диапазона!");
} else {
  Serial.print("Расстояние: ");
  Serial.print(distance, 1);  // 1 знак после запятой
  Serial.println(" см");
}

Проблема 3: Ошибка компиляции «AlashUltrasonic.h: No such file»

Причина: Библиотека не установлена

Решение:

Проверьте установку библиотеки через Скетч → Подключить библиотеку — должна быть AlashUltrasonic
Если библиотеки нет — повторите установку (см. раздел «Установка библиотеки»)
Перезапустите Arduino IDE после установки

Проблема 4: Датчик не «видит» некоторые объекты

Причина: RCWL-9610A (как и HC-SR04) лучше всего отражает ультразвук от твёрдых плоских поверхностей

Объекты, которые датчик «видит» плохо:

Мягкие ткани (ковёр, подушка) — поглощают звук
Пушистые предметы (мягкая игрушка) — рассеивают звук
Наклонные поверхности — отражают звук в сторону
Очень тонкие предметы (провод, карандаш) — слишком малы

Решение:

Используйте твёрдые предметы для тестирования (книга, коробка, рука)
Располагайте объект перпендикулярно датчику (под углом 90°)

Углублённая теория

Скорость звука и формула расстояния

RCWL-9610A (как и HC-SR04) использует ультразвук частотой 40 кГц (40000 колебаний в секунду). Человек слышит звуки от 20 Гц до 20 кГц, поэтому ультразвук для нас бесшумный.

Скорость звука в воздухе при 20°C:

v = 343 м/с = 34300 см/с

Звук проходит путь туда и обратно:

Расстояние = (Скорость × Время) / 2

Переведём в удобные единицы:

Arduino измеряет время в микросекундах (мкс). 1 секунда = 1 000 000 мкс.

Расстояние (см) = (34300 см/с × Время (мкс) / 1000000) / 2
                = 34300 × Время / 2000000
                = Время / 58.2

Вот откуда взялось число 58.2!

Примечание

Интересно: Скорость звука зависит от температуры воздуха! При 0°C звук летит ~331 м/с, при 20°C ~343 м/с. Поэтому в жаркую погоду датчик будет чуть точнее, чем в холодную.

Как библиотека упрощает работу?

Без библиотеки пришлось бы писать так:

// Код БЕЗ библиотеки — сложный!
digitalWrite(trigPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(trigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(trigPin, LOW);

long duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
long distance = duration / 58.2;

С библиотекой всё проще:

// Код С библиотекой — простой!
float distance = sensor.getDistance();

Библиотека скрывает сложную логику внутри функции getDistance() — вам не нужно помнить все детали!

Что дальше?

Поздравляем! Вы научились работать с ультразвуковым датчиком и устанавливать библиотеки. Теперь робот Phobo может «видеть» препятствия!

Что мы изучили:

✅ Современный датчик RCWL-9610A и его преимущества перед HC-SR04

✅ Режимы работы датчика (GPIO, I2C, UART, 1-Wire) и выбор GPIO

✅ Установка библиотеки AlashUltrasonic двумя способами (Менеджер и GitHub)

✅ Подключение датчика к Sensor Shield V5 в режиме GPIO

✅ Программирование с использованием библиотеки AlashUltrasonic

✅ Вывод данных в монитор порта

✅ Практичные эксперименты: парковочный радар, графический индикатор, детектор движения

Что дальше: Проект 6 (следование за рукой) — робот использует RCWL-9610A и сервопривод для отслеживания движущихся объектов.

Для любознательных:

Попробуйте объединить все 3 эксперимента в одну программу с меню выбора режима через монитор порта
Сохраняйте измерения в массив и выводите среднее значение за последние 10 измерений (фильтрация шума)
Изучите другие режимы работы RCWL-9610A (I2C, UART) — они экономят пины Arduino! Примеры есть в библиотеке AlashUltrasonic
В будущем можно подключить два датчика RCWL-9610A (вперёд и назад) для двустороннего обнаружения препятствий

Примечание

В Проекте 1 датчик установлен на сервопривод (Проект 4) — робот сканирует пространство на 180°. В Проектах 6-7 датчик используется для следования за рукой и объезда препятствий.

Удачи в экспериментах! 🚀