Lesson 10
超音波による距離センサーです！かっこいい！HC-SR04って型番の、電子工作では定番のセンサーです。
裏面にも回路がついてます！
ピンは、電源の5V / GNDと、計測用トリガーピン / エコーピンの4本です。
トリガーピンに10us のHIGH信号を入れると、40MHzの超音波を8回出します。同時に、エコーピンがHIGHレベルになります。音が反射して帰ってくるのを検出したら、エコーピンがLOWレベルになります。
エコーピンがHIGHレベルになっている時間を計測することで、音を出して反射して帰ってくるまでの時間がわかります。音の速度（340m/s）をベースに、かかった時間から距離を求めることができます。
距離 ＝ HIGHレベルになってる時間 ｘ 音の速度（340m/s）÷ 2（往復）ですね。
計測サイクルが短すぎると、正しく計測できないので、60ms 以上間隔を開けたほうがいいですよ、とのこと。
音速は温度によって変わりますので、いつも340m/sってわけではないのですけど、そのへんは今回は気にせずに！
HC-SR04 用の Ardiono ライブラリはいろいろあるみたいですが、Lesson 10 サンプルのファイルに付属していたライブラリを使っています。計測のプログラムはこんな。
#include "SR04.h"
#define TRIG_PIN 12
#define ECHO_PIN 11
SR04 sr04 = SR04(ECHO_PIN,TRIG_PIN);
long a;
void setup() {
Serial.begin(9600);
delay(1000);
}
void loop() {
a=sr04.Distance();
Serial.print(a);
Serial.println("cm");
delay(1000);
}
トリガーピンとエコーピンの番号を指定して、呼び出しています。
結果はコンソールで確認できます。仕掛け的に、急速に近づいたり遠ざかったりしているものは変な値（上で言うと2329cm）になりますね。
最初シリアル通信が9600bps指定になってること気づかずに、出力が見れなくてちょっとあせりました。
実際の計測処理はライブラリの中で全部行われてますね。ライブラリ側のソースも確認してみます。
SR04::SR04(int echoPin, int triggerPin) {
_echoPin = echoPin;
_triggerPin = triggerPin;
pinMode(_echoPin, INPUT);
pinMode(_triggerPin, OUTPUT);
_autoMode = false;
_distance = 999;
}
エコーピンを入力、トリガーピンを出力に設定
long SR04::Distance() {
long d = 0;
_duration = 0;
digitalWrite(_triggerPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(_triggerPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(_triggerPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
_duration = pulseIn(_echoPin, HIGH, PULSE_TIMEOUT);
d = MicrosecondsToCentimeter(_duration);
delay(25);
return d;
}
計測。まずトリガーピンをLOWに設定。2 マイクロ秒待ってから、トリガーピンを 10 マイクロ秒の間HIGHに設定。これで計測用超音波が出ます。
pulseIn(_echoPin, HIGH, PULSE_TIMEOUT); で、エコーピンがLOWになるまでの時間を計測。
Reference > Language > Functions > Advanced io > Pulsein
https://www.arduino.cc/reference/jp/language/functions/advanced-io/pulsein/
pulseIn() を HIGH に設定した場合, ピンが HIGH になった時点を開始時間とし, LOW になった時点を終了時間とします．そして，そのパルス幅をマイクロ秒で返します．タイムアウト時間を設定し，タイムアウトした場合は，0を返します．
おおー。便利な関数だ！
トリガーピンをLOWにした後の、delayMicroseconds(2) は何だろう…安定待ち？
ちなみに PULSE_TIMEOUT は、SR04.h で
#define PULSE_TIMEOUT 150000L // 100ms
と定義されていました。
MicrosecondsToCentimeter で、時間から距離の変換をしています。
long SR04::MicrosecondsToCentimeter(long duration) {
long d = (duration * 100) / 5882;
//d = (d == 0)?999:d;
return d;
}
340m進むのに1秒。 ということは、1m進むのには
1 / 340 / 100 = (0.002941 / 100)秒 = 2941uS
往復で計測するので、2941uS * 2 = 5882uS の場合に、距離 1m となります。
なので、エコーピンでの計測が duration uS であれば
距離は duration / 5882 m = duration /5882 * 100 cm
てことですね。
「1秒で340cmだから、1uS だと 340 / 1000000 cm」なので
距離 =( duration / 2 ) * ( 340 / 1000000 ) * 100
のほうが、素直な気がする。
この距離センサーも、M5StackのMicroPythonから使ってみようと思ったのですが、マイクロ秒での制御が必要なんですよね。
そんなのできるのかな、と探してみると、先人の方がいらっしゃいました。
HC-SR04 Sensor driver in micropython
https://github.com/rsc1975/micropython-hcsr04いろいろてすと中：M5Stack × 超音波センサ(HC-SR04)で距離を測る
https://kappazu.com/2018/08/18/m5stack-x-超音波センサhc-sr04で距離を測る/
おおおー。できるんだー！
time.sleep_us() を使えば、マイクロ秒でスリープできるのですね。ミリ秒指定の time.sleep_ms() もある。
せっかくなので接続は、M5Stack Fire から Grove経由で！
…と思ったのですけど、Grove からだと、HC-SR04の動作に必要な 5V電源 が取れないのでした。残念。あきらめて M5Stack Grayから。
単体で外部に繋いでいろいろやりたい人には、MStack5 Fire トップ + M5Stack Normal/Gray ボトム が最強なのかも。
（→ Grove電源のボルト数については勘違いでした！詳しくは下に！）
プログラムはこういう感じです。1秒間隔で計測して画面表示しています。
machine.time_pulse_us(echo_pin, 1, PULSE_TIMEOUT) で Arduino の pulseIn() と同様に時間の計測ができます。
フォントは、こちらのフォントをフォントツールで変換して使っています。
x12y20pxScanLine スキャンライン
http://www17.plala.or.jp/xxxxxxx/00ff/M5Cloud/examples/Display/font_tool/
https://github.com/m5stack/M5Cloud/tree/master/examples/Display/font_tool
3.3V～5Vで動作する低電圧用の距離センサパーツもありますね。Groveで使いたいならこれか。
GROVE – 超音波距離センサモジュール
https://www.switch-science.com/catalog/1383/
追記：GROVE電源のボルト数について
5StackのGrove端子の電源、3.3V だと（なぜか）思い込んでいたのですが、計ってみたところ、
5V でした！！
なので、HC-SR04 も動作可能です。GROVE ポートA を使いました。各GROVE端子の信号はこういう感じ。
接続は、以下の通り。
赤（5V）－ Vcc
黒（GND）－ Gnd
白（SDA:21）－ Trig
黄（SCL:22） － Echo
プログラムのポートを変えて接続。
trigger_pin = machine.Pin(21, machine.Pin.OUT) echo_pin = machine.Pin(22, machine.Pin.IN)
バッチリだ！
ポートB（26 / 36）に差し替えてもいけました。
trigger_pin = machine.Pin(26, machine.Pin.OUT) echo_pin = machine.Pin(36, machine.Pin.IN)
あれれ？36ってアナログ入力ポートじゃなかったっけ…？M5Stackの動作、まだまだ理解できてないところ多いです。