Cómo Medir Distancias con el Sensor Ultrasónico PING

Escrito por Raúl Alvarez.

Tutorial Sensor Ultrasonico Los sensores ultrasónicos permiten medir distancias desde los 2-3 centímetros hasta los 3-6 metros (para algunos modelos populares) sin la necesidad de un contacto físico, lo cual es muy útil en una amplia variedad de aplicaciones, desde la robótica y los sistemas de alarma, hasta aplicaciones industriales y por supuesto, también en proyectos de pasatiempo para los aficionados al bricolaje electrónico.

El Sensor Ultrasónico de Distancia PING (o "PING)))" como lo denomina el fabricante) tiene una interfaz simple de tres terminales y utiliza una sola linea para lograr una comunicación bidireccional con su dispositivo de control (típicamente un microcontrolador).

¿No estás muy seguro de cómo hacer las lecturas de distancia de este sensor? En este tutorial presentamos un sistema básico con un microcontrolador y un programa en lenguaje C para la interfaz con el sensor PING de Parallax. El microcontrolador lee el dato de la distancia del sensor y lo visualiza en una pantalla LCD genérica.

ACTUALIZACION 13/09/13: Hemos incluido un video en el que se explica en detalle el funcionamiento del sensor y el algoritmo para la interfaz con el mismo. En este video usamos el sensor ultrasónico HC-SR04 por ser un sensor muy conocido y de muy bajo costo, sin embargo el 99% de la explicación se aplica también al sensor PING y a otros sensores ultrasónicos de 3 y 4 terminales.

Video Demostrativo con el Sensor HC-SR04

Contenido del Video

Demostración del circuito funcionando (sensor HC-SR04 + PIC + LCD 16x2).
Conceptos teóricos básicos del funcionamiento del sensor.
Diagrama del circuito.
Algoritmo general para la interfaz con el sensor ultrasónico.

Diagrama de Circuito con el HC-SR04

Cómo Medir Distancias con Sensores Ultrasónicos

Descargas

Proyecto MPLAB X con el sensor HC-SR04. El proyecto ya está compilado y el código listo para ser grabado al microcontrolador, para recompilarlo es necesario tener el compilador Hi-Tech (Microchip) PICC v9.81 o superior.

El mismo código funciona con el sensor PING haciendo modificaciones mínimas y también con otros sensores similares.

Tenemos el Sensor Ultrasónico HC-SR04 a la venta.

---------------------------------------------------------------------------------------------

Características Principales del Sensor PING

El sensor PING funciona mediante la transmisión de una ráfaga de ultrasonido en una frecuencia muy por encima del rango auditivo humano y provee un pulso de salida, el cual corresponde con el tiempo requerido por el eco (rebote) para retornar hasta el sensor. Al medir la duración de este pulso se puede calcular fácilmente la distancia al objetivo.

Las características más importantes del sensor PING son las siguientes:

Rango: 2 cm a 3 m
LED indicador de ráfaga que muestra la actividad del sensor
Interfaz bidireccional por pulso, en un único pin de E/S para comunicación con microcontroladores TTL (5V) o CMOS (3.3V)
Disparo de entrada: pulso TTL positivo, 2 μs mínimo, 5 μs típico
Pulso eco de salida: pulso positivo TTL, 115 μs mínimo a 18.5 ms máximo.

Encuentra los detalles de este sensor en nuestra Tienda Virtual.

Descripción del Hardware

El hardware para este proyecto es muy similar al usado en el proyecto "Bus Serial I2C: Sensor de Temperatura MCP9800 con PIC16F628A y LCD" , se ha usado el mismo microcontrolador y también la pantalla LCD para visualizar la distancia leída. No explicaré en detalle la implementación de estos dos dispositivos ya que dicha información se la puede encontrar en el tutorial mencionado.

Microcontrolador PIC16F628A

El PIC se ha programado para trabajar con su oscilador interno de 4 MHz, minimizando así el conteo de componentes externos. El código de programa para la interfaz con el sensor ultrasónico es muy sencillo; el programa para el PIC está escrito en lenguaje C para el compilador PICC de Hi Tech, pero es fácilmente portable a otros compiladores, otros lenguajes o incluso al lenguaje ensamblador.

Pantalla de Cristal Líquido (LCD)

La interfaz con la pantalla LCD también se ha descrito con más detalle en el tutorial "Bus Serial I2C: Sensor de Temperatura MCP9800 con PIC16F628A y LCD" , es así que no ahondaré en el uso de este dispositivo. En este ejemplo también la pantalla LCD trabaja en la modalidad con cuatro líneas paralelas de datos y se ha usado la librería de conexión para LCDs genéricos provista por el compilador PICC de Hi Tech.

Diagrama del Circuito

Circuito con sensor ultrasónico PING

Sensor PING con PIC y LCD

Funcionamiento del Sensor Ultrasónico de Distancia PING

El sensor PING posee solamente tres terminales, dos de las cuales son para la alimentación de voltaje (VDD y GND) y la tercera (SIG) es usada para la comunicación bidireccional con el microcontrolador.

La comunicación con el sensor es realmente muy simple. Una vez que se ha entendido el protocolo, es fácil implementarlo.

Protocolo de Comunicación

El sensor PING detecta objetos mediante la emisión de una ráfaga ultrasónica y luego "escucha" el eco de retorno.

Bajo el control de un microcontrolador, el cual debe enviar un pulso corto de disparo, el sensor emite una corta ráfaga ultrasónica a una frecuencia de 40 KHz. La ráfaga viaja a través del aire, choca con un objeto y luego rebota hacia el sensor. El sensor PING provee un pulso de salida al microcontrolador, que inicia cuando la ráfaga es enviada y termina cuando el eco es detectado, de ahí que la longitud del pulso corresponda con la distancia al objeto.

Sensor ultrasónico PING

Protocolo de comunicación sensor PING

De la explicación arriba mencionada se puede resumir el siguiente algoritmo básico para la lectura del sensor:

Configurar el pin de comunicación en el microcontrolador como salida.
Escribir un "0" lógico al pin de comunicación.
Esperar un tiempo corto para estabilizar la línea de comunicación (5 μs).
Escribir un "1" lógico al pin de comunicación. (Inicio de pulso de disparo).
Retardo de tiempo (2-5 μs) para lograr el ancho de pulso de disparo del sensor.
Terminar el pulso de disparo escribiendo un "0" lógico al pin de comunicación.
Configurar el pin de comunicación como entrada.
Esperar hasta recibir un "1" lógico en el pin de comunicación. (Inicio del pulso de eco de salida del sensor).
Activar el temporizador del PIC
Esperara hasta recibir un "0" lógico en el pin de comunicación. (Fin del pulso de eco de salida del sensor).
Desactivar el temporizador del PIC.
Leer conteo efectivo en el temporizador en μs.
Calcular la distancia en función a la duración del pulso de eco de salida del sensor.

Debido a que la duración del pulso provisto por el sensor contiene la información del tiempo que tarda la ráfaga en ir y volver desde el objetivo, esta duración se debe dividir por 2 para calcular la distancia, de otro modo estaríamos calculando el doble de la distancia (ida + vuelta).

Listado del Programa

El código está detalladamente comentado.

/* *******************************************************************************
 * Sensor Ultrasónico de Distancia PING (Parallax) con PIC16F6248A  y LCD Ver. 1.0
 * 
 * Recibe la lectura de distancia del sensor PING (Parallax)
 * y lo visualiza en un LCD genérico de 16x2.
 * Para el uso del LCD hace uso de las librerías y código ejemplo provistos 
 * por el compilador PICC de HI-tech.
 * 
 * Hardware:    PIC16F628A, Sensor PING))), LCD 16x2 genérico.
 * Funciones:     Software ejemplo para el sensor ultrasónico PING))) de Parallax
 * Versión:        1.0 (10 de Marzo de 2011)
 * Autor:         Raul Alvarez Torrico (www.TecBolivia.com)
 * 
 * Descargado de www.TecBolivia.com - Ingresa al sitio para más ejemplos similares.
**********************************************************************************/
 
#include <htc.h>
#include <stdlib.h>    // Necesario para la función itoa()
#include <stdio.h>    // Necesario para la función itoa()
#include "lcd.h"    // Librería para comunicación con el LCD incluida con el compilador PICC
#include "delay.h"    // Librería para retardos incluida con el compilador PICC
 
/* Palabra de configuracion para el PIC16F628A, versión PICC 9.70 */
//__CONFIG(UNPROTECT & UNPROTECT & LVPDIS & BOREN & MCLREN & PWRTEN & WDTDIS & INTIO);
 
/* Palabra de configuracion para el PIC16F628A para versiones del compilador PICC desde
 la Version 9.81 en adelante */
__CONFIG(CPD_OFF & CP_OFF & LVP_OFF & BOREN_ON & MCLRE_ON & PWRTE_ON & WDTE_OFF & FOSC_INTOSCIO);
 
/* A partir de la versión 9.81 del compilador PICC las definiciones de los bits de configuración
 han sido cambiadas. Todas las definiciones para el PIC16F628A están ubicadas en el archivo:
 (Directorio Archivos de Programa)\HI-TECH Software\PICC\9.xx\include\pic16f628a.h
*/
 
#define SENSOR_PIN    RB5
#define SENSOR_PIN_DIR    TRISB5
 
char aux;    // Variable auxiliar para depuración
 
void timer_init ();
void mostrar_distancia (unsigned int * distancia, char fila);
 
void main(void)
{    
     unsigned int conteoMSB = 0;    // Variable de 16 bits para almacenamiento de conteo total
     unsigned char conteoLSB = 0;    // Variable de 8 bits para almacenamiento LSB del conteo
    CMCON = 0x07;    // Configurar Puerto A como digital I/O
     TRISB = 0x00;    // Puerto B como salida
     /* OJO!!! Los pull-ups del Puerto B deben estar deshabilitados */
  
     lcd_init();    // Función de inicializacion del LCD
     timer_init();    // Función de inicializacion del Timer1
  
     SENSOR_PIN = 0;    // Inicializar el valor del pin de comunicación con el sensor
  
     while (1) {    // Ciclo infinito
 
         SENSOR_PIN_DIR = 0;    // Configurara SENSOR_PIN como salida
         SENSOR_PIN = 1;    // Inicia pulso de disparo
         DelayUs(5);    // Retardo de tiempo requerido s/g datasheet (mínimo 2 us)
         SENSOR_PIN = 0;    // Termina pulso de disparo
  
         SENSOR_PIN_DIR = 1;        // Configurara SENSOR_PIN como entrada
         TMR1H = 177;    // Carga inicial del timer1 registro MSB
         TMR1L = 224;    // Carga inicial del timer1 registro LSB    
         while (!SENSOR_PIN)    // Esperar el arribo del pulso de respuesta
             ;
         TMR1ON = 1;    // Llegó pulso eco de respuesta, activar Timer1
  
         while (SENSOR_PIN && !TMR1IF) // Esperar conclusion de eco de respuesta
             ;                    // o timeout TMR1IF de 20 ms
  
         /* Rango de duración de pulso provisto por el sensor: 115 us a 18.5 ms
          * Si el conteo sobrepasa los 18.5 ms y llega a 20 ms, se puede considerar
          * que se ha recibido un pulso no válido del sensor. Error de timeout. */
  
         //if (TMR1IF)    // Si el Timer pasa los 20 ms programados...
        // ubicar aquí algún código de error de timeout
  
        TMR1ON = 0;    // Desactivar Timer1
        TMR1IF = 0;        // Borrar bandera Timer1
  
         conteoMSB = TMR1H;    // Leer máximo conteo alcanzado por el Timer MSB
         conteoLSB = TMR1L;    // Leer máximo conteo alcanzado por el Timer LSB
  
         /* Conversión de 2 bytes a 1 word (16 bits):
          * Recorrer el MSB 8 posiciones a la izquierda (multipplizar por 256)
          * y luego sumarlo con el byte LSB */
         conteoMSB = conteoMSB*256;    //     Multiplicar por 256 para recorrer 8 posiciones
         conteoMSB = conteoMSB + conteoLSB;    // Sumar con el byte LSB
  
         /* Calculo de la distancia en función al ancho del pulso:
          * Restar primeramente el número de carga inicial del Timer (45536),
          * dividir por 29 (vel. sonido = 1/29 cm/us, calculado de vel. sonido = 345 m/s),
          * dividir por 2 debido a que el pulso provisto por el sensor representa el tiempo
          * total de ida y vuelta (eco) del ultrasonido. Solo necesitamos la mitad. */
         conteoMSB = (conteoMSB - 45536)/29/2;
         mostrar_distancia(&conteoMSB, 0);
  
         DelayMs(255);    // Pequeño retardo para no saturar la impresión en el LCD
     }
}
 
/*******************************************************************************
*                     INICIALIZA EL TIMER1 DEL MICROCONTROLADOR
*
* Descripción    :    Inicializa el Timer1 del microcontrolador para funcionar con
 reloj interno, sin prescalador, sin interrupción.
* Argumentos    :    Ninguno.
* Retorna        :    Nada
* Notas            :    
********************************************************************************/
void timer_init()
{
     TMR1IE = 0;    // Interrupción Timer1 desabilitada
  
     // Timer1 Prescalador = 1 - TMR1 Preset = 45536 (para un conteo máximo de 20 ms
     //Freq = 50.00 Hz - Periodo = 0.020000 seconds
     // Rango de duración de pulso provisto por el sensor: 115 us a 18.5 ms
     // Si el conteo sobrepasa los 18.5 ms y llega a 20 ms, se puede considerar
     // que se ha recibido un pulso no válido del sensor. Error de timeout.
  
     T1CKPS1 = 0;   // bits 5-4  Bits de selección de Prescalador
     T1CKPS0 = 0;   // bit 4
     TMR1CS = 0;    // bit 1 Timer1 Clock Source Select bit...0 = Internal clock (FOSC/4)
}
 
/*******************************************************************************
*                     MUESTRA LA DISTANCIA EN EL LCD
*
* Descripción    :    Muestra en el LCD la distancia en centímetros
* Argumentos    :    unsigned int * distancia    puntero al word de la distancia
*                    char fila  la fila para la escritura de la temperatura
* Retorna        :    Nada
* Notas            :    
********************************************************************************/
void mostrar_distancia (unsigned int * distancia, char fila)
{
     char buf[3];    // Buffer temporal para conversión entero a cadena de caracteres
  
     lcd_goto(fila);    // Posicionar el cursor del LCD en la fila correspondiente
     lcd_puts("Distancia:");
     itoa(buf, *distancia, 10);    // Convertir word de distancia a cadena de caracteres
     lcd_puts(buf);        // Mandar a LCD
     lcd_puts(" cm");    // Escribir " cm"
}

Conclusión

Como se ha visto, el procedimiento para la lectura del Sensor Ultrasónico de Distancia PING))) es bastante sencillo. No es difícil imaginar varias posibilidades de aplicación para este sensor en áreas como la robótica, sistemas de navegación, sistemas de seguridad e incluso sistemas industriales; su interfaz simple hace que sea posible su uso con virtualmente cualquier microcontrolador, incluso con los más pequeños como el PIC10F200 de Microchip.

Raúl Alvarez Torrico
www.TecBolivia.com