Hola, me da gusto saludarte y tenerte aquí, hoy quiero revelarte los grandes secretos del sensor ultrasónico, veremos todas sus características, funcionamiento y mucho más, y si tú estas aprendiendo electrónica debes contar con este tipo de sensor en tu material.

¿Qué es lo que aprenderás del sensor ultrasónico?

Bueno, vamos a ver desde el concepto básico de un sensor ultrasónico, hasta un ejemplo explicado a detalle en Arduino. Descuida, como es costumbre, te dejo la lista de todas las cosas que vas a poder aprender el día de hoy:

• ¿Dónde comprarlo?
• Conceptos básicos
• Conocerás la parte teórica para la medición de distancia, incluyendo las expresiones para calcularla.
• Aprenderás a identificar este sensor en diagramas electrónicos.
• Características y ventajas.
• Qué tipos hay y sus principales características.
• Finalmente, te enseñare a utilizar el sensor ultrasónico HC-SR04 y como puedes utilizando Arduino, lo haremos paso por paso explicando el código y el circuito.

Cabe destacar que, para realizar el punto final, necesitarás material adicional si deseas replicar el ejemplo de este post, a continuación te dejo algunos productos y ejemplos de sensores.

¿Dónde puedo comprar sensores ultrasónicos?

Bien, antes de pasar a la parte teórica quiero recomendarte algunos productos que te serán de gran utilidad, ya sea por que buscas hacer alguna aplicación en casa o estas buscando modelos y tipos para alguna aplicación en particular.

• No siempre es desarrollar desde cero hoy en día existen muchos productos como los que te dejo a continuación.

Mas adelante te dejaré también otros productos que te recomiendo para tus practicas con Arduino. Por lo pronto vayamos a la teoría y todo lo que te prometí.

• ¿Quieres ir directamente a la práctica? Da clic aquí

¿Qué es un sensor ultrasónico?

El sensor ultrasónico es un dispositivo que pertenece a la familia de los sensores de proximidad, lo cual tienen como característica el detectar objetos a distancia sin la necesidad de tener contacto físico alguno con dicho objeto y tienen como medición principal la magnitud de tiempo y distancia.

Este sensor trabaja de la misma forma que lo hacen otros de proximidad, detecta la distancia y proximidad de un objeto u obstáculo sin tener contacto físico. Esa detección la realiza mediante un sonido de frecuencia ultrasónica (tecnología ultrasónica, inaudible para los humanos).

Esta detección de distancia se puede realizar desde unos cuantos centímetros, hasta algunos metros, además, este tipo de sensores pueden funcionar con casi cualquier material, la única condición es que el objeto a sensar sea capaz de reflejar el sonido que emite el sensor.

Podemos encontrar a este sensor desde proyectos escolares, hasta aplicaciones industriales. Algunas aplicaciones destacables son:

• Robótica: se utilizan en sistemas robóticos para la detección de obstáculos.
• Control de llenado de materiales de construcción.
• Control de llenado en aguas residuales.
• Detección de altura en maquinaria automotriz y agrícola.
• Protección y sensado antichoque.
• Seguridad privada.
• Producción de circuitos impresos.
• Recuento de botellas a reciclar.
• Detección de vehículos en garajes.
• Control de plagas

Pero a todo esto surge una pregunta, si se dice que el sensor ultrasónico calcula la distancia ¿Cómo se calcula? Más adelante profundizaremos en este tema, por el momento basta con decir que, para calcular la distancia debemos tomar en cuenta un par de puntos referentes al tiempo y velocidad.

• Velocidad del sonido
• Tiempo de duración del pulso
• Distancia la cual es igual a la velocidad por el tiempo

Velocidad del sonido

Como ya sabes, el sensor funciona con señales ultrasónicas, y dichas señales son de naturaleza sonora (acústicas). Por lo tanto, debemos tomar en cuenta la velocidad con la que se propaga el sonido en el aire, lo cual es un dato que seguramente ya conoces:

Velocidad del sonido = 343 m/s

• Pero, como nosotros necesitamos una unidad ideal para nuestro sensor, el cual son los centímetros (cm), necesitamos realizar una conversión.

Basándonos en los cálculos anteriores, podemos decir que el sonido tarda 29us (microsegundos) en recorrer un centímetro. También es válido decir que la velocidad del sonido es igual a 0.0343 cm/us, Ambas conversiones se pueden utilizar.

Ahora, respecto al tiempo, lo cual es simplemente el tiempo que se demora la señal en ir y regresar al sensor, determinado por el pulso generado de la entrada del sensor llamado ECHO. No tiene mucha función calcularlo, ya que será calculado por el Arduino, así que caso resuelto.

Entonces, teniendo ya nuestro tiempo y distancia, podemos determinar lo siguiente:

Distancia = tiempo x velocidad del sonido

No obstante, esta distancia está calculada con base a dos tiempos en total, ya que toma en cuenta el tiempo en que tarda la señal en salir del sensor y volver, esto conlleva a entregarnos el doble de la distancia necesaria. Entonces, solo necesitamos calcular la distancia entre el objeto y el sensor, que es solo un tiempo.

Volviendo a los cálculos, lo anterior nos quiere decir que tenemos que dividir entre dos la distancia, ya que solo querremos la mitad del recorrido.

• No te preocupes, lo entenderás mejor viendo la expresión final a continuación:

Distancia = (tiempo x velocidad del sonido) / 2

• De esta expresión podemos calcular el tiempo despojándole:

Tiempo = 2 (velocidad / tiempo)

Bien más adelante retomaremos el tema, por ahora creo que debes aprender como identificar este sensor a través de la simbología disponible.

Símbolo y descripción física del sensor ultrasónico

Excelente, es importante que conozcas el símbolo y la descripción física de este sensor, ya que estos conocimientos van a permitirte identificarlo en un diagrama electrónico y de conexiones.

➤ Simbología del sensor ultrasónico.

El sensor ultrasónico, al igual que casi toda la familia de sensores de este tipo, puede tener en su símbolo y una especificación de conexión, la cual se define por hilos de colores.

Existen tecnologías de 2, 3 y 4 hilos, los cuales como te mencione antes, vienen en representación con el símbolo. Generalmente los símbolos del sensor ultrasónico no son representados en esquemas electrónicos simples, solo se utiliza en aplicaciones industriales donde se requiere una especificación más técnica.

Además de tener en cuenta la tecnología, es importante considerar el tipo de salida que el sensor tiene especificado:

• PNP: Salida positiva y normalmente cerrado.
• PNP: Salida positiva y normalmente abierto.
• NPN: Salida negativa y normalmente cerrado.
• NPN: Salida negativa y normalmente abierto.

En otras fuentes también lo puedes encontrar con esta simbología:

• Salida normalmente abierta dos, tres y cuatro hilos

Descripción física del sensor ultrasónico HC-SR04

En esta sección nos vamos a centrar en un modelo en especifico de lo contrario este post sería súper largo. Así que hablaremos del sensor HC-SR04 el cual suele ser el más solicitado por estudiantes y profesionales.

Este es el modelo del sensor ultrasónico modelo HC-SR04, el cual es uno de los modelos que más se utiliza dentro de los proyectos tanto industriales como experimentos personales.

Como puedes ver, es un sensor muy pequeño (4.5 x .6 x 2cm). Consta en su sistema de un transmisor y un receptor de señales ultrasónicas. En la parte trasera se encuentran los micros, dispositivos que hacen posible el funcionamiento del sensor.

Finalmente puedes ver que tiene 4 pines disponibles:

• PIN Vcc: Este pin está destinado a conectarse a voltaje, el cual debe ser suministrado por +5vcc.
• PIN GND: Este pin debe ser conectado a la tierra o parte negativa del circuito a tratar o al dispositivo Arduino.
• PIN TRIG: Este pin de naturaleza digital es el encargado de enviar el pulso ultrasónico.
• PIN ECHO: Este pin de entrada es el encargado de recibir el retorno del pulso. 
  Como puedes observar, este tipo de sensor se basa en tecnología de dos hilos, ya que solo tenemos entrada y salida.

¿Cómo funciona el sensor ultrasónico?

Eres todo un master por llegar a este punto, así que si solo diste scroll para curiosear te recomiendo que leas de rápido las secciones anteriores ya que casi llegamos a la practica y lo anterior dicho lo necesitaras.

En este punto ya conoces la simbología y descripción de uno de los modelos más usados del sensor ultrasónico, al igual que la definición de este tipo de sensor. Pero ¿Cómo funciona? Respondamos a esta pregunta.

Como ya sabes, el sensor ultrasónico emite un pulso ultrasónico de naturaleza acústica de alta frecuencia y que dura muy poco. Este pequeño pulso de propaga a la velocidad del sonido, el cual es 343m/s (tal y como vimos anteriormente).

Al encontrar un objetivo sobre el cual trabajar, el pulso es reflejado y vuelve en forma de eco al sensor. Por esta razón se dice que este sensor tiene el mismo principio que la ecolocalización.

Esta última parte es la encargada de calcular la distancia que existe hacia el objeto, el pin ECHO es el que se encarga de ese trabajo, basándose en el tiempo de emisión y recepción.

En bloques, el sensor ultrasónico funciona de la siguiente manera:

• 1. Zona activa.
• 2. Oscilador.
• 3. Unidad de análisis o evaluación.
• 4. Etapa de disparo.
• 5. Salida del sensor.

Diagrama de funcionamiento del sensor ultrasónico

• Ahora debes recordad las siguientes expresiones para calcular la distancia y el tiempo:

Ejemplo de calculo de distancia y tiempo

Muy bien, vamos a practicar un poco, supongamos que tenemos los siguientes datos:

• Velocidad del sonido = 0.034 cm/us
• Tiempo calculado = 890us (microsegundos)
• ¿Cuál es la distancia del sensor al objeto detectado?

1. Recordamos la expresión para calcular la distancia.

Distancia = (tiempo x velocidad del sonido) / 2

2. Sustituimos nuestros datos.

Basándonos en nuestros resultados, podemos concluir que el objeto detectado está a 15.13 centímetros del sensor ultrasónico.

Estamos acercándonos a aplicar todo este conocimiento en una pequeña pero interesante práctica en Arduino. Sin embargo, antes de ir a ese punto, necesitamos conocer dos puntos teóricos básicos sobre los sensores ultrasónicos: una lista de características de este sensor y finalmente los tipos de sensores ultrasónicos que existen.

Características de los sensores ultrasónicos.

A continuación, te dejare una lista de las características más destacables de los sensores ultrasónicos.

• Tiene una distancia mínima del sensor al objeto de 50mm.
• Tiene una distancia máxima 10 metros.
• Materiales que puede detectar: La detección es independiente a la forma, color y material del objeto. Casi todos los objetos pueden ser detectados por el sensor ultrasónico. Pero, los materiales que no son adecuados para la aplicación de sensores ultrasónicos son aquellos que pueden absorber el sonido.
• La vida útil de estos sensores suele ser demasiado larga, gracias a la característica inherente de no necesitar un contacto físico con el objeto.
• Por su tamaño, suele ser muy adecuado para trabajar.
• La velocidad de conmutación suele ser de 1s a 8ms.
• Tiene una frecuencia de conmutación de 125Hz como máximo.
• La detección no se ve afectada por ambientes hostiles, como ambientes con mucho polvo o suciedad.
• Muchos modelos de sensores ultrasónicos pueden ajustarse a un voltaje de +5v.
• Los pulsos ultrasónicos son poco o nulos eficaces si el objeto a detectar y su superficie se encuentre en una inclinación. Esto se debe a que los ecos no se pueden transmitir.

Como puedes ver, este sensor tiene muchas características especiales, y que lo hacen resaltar de entre los demás sensores. Una de las características más sobresalientes es su gran versatilidad para detectar objetos, además de su gran capacidad de detección a distancia.

Tipos de sensores ultrasónicos

Finalmente, veremos los tipos de sensores ultrasónicos que existen en disponibilidad hoy en día.

➤ Sensores ultrasónicos de barrera por reflexión

Tiene como característica que se utiliza un único transductor como receptor y emisor. Se utiliza para detectar objetos difíciles.

➤ Sensores ultrasónicos de un haz (fotoeléctricos)

Se caracterizan por tener una respuesta y frecuencias de conmutación mucho más rápidas. Lo anterior se debe ya que a diferencia de los sensores ultrasónicos de barra y los de detección directa, estos no esperan un eco o retorno de pulso. Disponen de un haz acústico muy potente y un rango de detección alto.

➤ Sensores ultrasónicos de dos hojas

Este tipo de sensores ultrasónicos se utilizan mayoritariamente en la industria de la imprenta. Su característica especial es que llegan a distinguir espacios vacíos entre una o dos capas de material, cuando se emplea para la detección de etiquetas, este puede distinguir entre la parte trasera de la etiqueta y el material principal.

EJEMPLO: Sensor ultrasónico HC-SR04 CON Arduino

Muy bien, ha llegado el momento de aplicar los conocimientos obtenidos a través de este viaje. Lo haremos a través del sensor ultrasónico modelo HC-SR04, controlado por un Arduino UNO R3. Descuida, a continuación, te dejo los materiales que debes adquirir si deseas replicar este pequeño proyecto.

Materiales a utilizar

• Dentro de la lista de material RECUERDA que el sensor de distancia es el modelo HC-SR04.
• Sobre el diodo LED, puede ser del color de tu preferencia.
• Finalmente, todo este proyecto se realizará sobre una PROTOBOARD o tablilla de pruebas.

¿Cuáles son las características del sensor ultrasónico HC-SR04 para Arduino? Según la hoja de datos o datasheet:

• Alimentación VCC a +5v.
• Ángulo efectivo de máximo 15°
• Distancia de detección de 2cm a 500 cm.
• Resolución de 1 cm.
• Dimensiones de 4.5x.6x2cm.
• Frecuencia de ultrasonido de 40kHz
• Duración efectiva de transmisión del pulso: 10us (microsegundos).
• Tiene 4 pines: VCC (+5v), GND (tierra), TRIG (salida, genera el pulso) y ECHO (entrada, calcula el tiempo y recibe el eco)

Ahora que sabes las especificaciones y características del modelo que usaremos, podemos ir ya al proyecto.

Nombre del proyecto: Detector de peligro.

Descripción: En este proyecto implementaremos un sensor HC-SR04 con Arduino, el cual tendrá la función de detectar la proximidad de un objeto u obstáculo.

Si este objeto se acerca a 15 centímetros o menos, el sistema emitirá un mensaje en el monitor serial de “PELIGRO”, y lo podremos visualizar por medio de un diodo LED en el circuito, lo cual se encenderá si sucede esta acción.

Si el objetivo sobrepasa los 300 cm (nuestro rango máximo en nuestro proyecto), el monitor serial desplegara en pantalla un “FUERA DE RANGO”.

En otro caso, el funcionamiento será normal. Se estará mostrando en el monitor serial la distancia que esta sensando, a excepción de que se sobrepase los 300 cm. Muy fácil ¿no?

Veamos cómo nos queda el diagrama de conexión, el cual está realizado en TINKERCAD. (www.tinkercad.com)

Diagrama de conexión del ejemplo

En este diagrama puedes apreciar lo siguiente:

• El LED va conectado al PIN #11 del Arduino (-11). Y tiene una resistencia de 330Ω conectada entre el cátodo (“pata corta”) y la barra negativa (-) del protoboard.
• El PIN TRIG del sensor ultrasónico (cable verde) va al PIN #6 del Arduino.
• El PIN ECHO del sensor (cable azul turquesa) va al PIN #5 del Arduino.
• El PIN “5v” del Arduino se conecta a la barra positiva (+) del Arduino. Mientras que el PIN “GND” se conecta a la barra negativa (-) del Arduino.
• El resto de los pines del sensor (VCC y GND) se conectan en sus respectivas barras del protoboard (Rojo positivo, negó negativo).

• *Recuerda que el color del LED puede ser a tu gusto. El valor de la resistencia es de 330Ω

Programación y código en Arduino.

Excelente, estamos acercándonos al final de este viaje, ahora es turno de explicar el código de programación realizado en el IDE de Arduino, iré explicándote parte a parte este programa; desmenuzarlo juntos para que lo entiendas mucho mejor, al final te dejare el código completo para que puedas experimentar.

Antes de comenzar, debes crear un nuevo proyecto en el IDE de Arduino, y ponerle título para poder ubicarlo dentro de tu ordenador, en mi caso, le puse el nombre del proyecto: “Detector_de_peligro”. Muy bien, veamos la primera parte.

Declaración de variables

En esta parte, estoy DEFINIENDO (define) y declarando las variables que utilizaremos en todo el programa.

• El #define define los pines a utilizar del Arduino para el ECHO (echo, 5), el LED (11) y el TRIGGER (trig, 6).
• Declaramos la variable “tiempo” como un dato de tamaño extendido (long).
• Declaramos la “distancia” como un valor de tipo flotante (float), lo que quiere decir que en los cálculos será un valor con decimales.

Configuración de pines

En esta parte del programa, se establece la configuración de los pines de programa, como puedes observar, aquí nos encargamos de colocarle a un determinado PIN la funcionalidad de entrada o salida.

Aquí también inicializamos la comunicación serial con Serial.begin con una velocidad de 9600 baudios, como no tenemos alguna forma de ver la distancia que está midiendo nuestro sensor ultrasónico, podemos utilizar una herramienta disponible en todos los Arduino: el puerto serial o “Serial Port”.

Este tipo de conexión se realiza a través del cable USB a la computadora. En nuestro proyecto, en este monitor serial veremos la distancia medida por el sensor ultrasónico y los mensajes a desplegar.

Bucle de código que ejecutara el Arduino

Aquí comienza el ciclo de repetición que el Arduino efectuará, en esta parte trabajamos con el TRIGGER (PIN trig):

• Primero lo colocamos en pulso bajo o apagado (LOW), y lo mantenemos en esa funcionalidad por 2 microsegundos.
• Posteriormente activamos el pulso de TRIGGER (trig, HIGH), y lo mantenemos así por 10 microsegundos, tiempo que nos recomienda la especificación del sensor.
• Finalmente lo volvemos a apagar.

En esta parte ya se generó el eco que previamente a chocado con el objeto. Ahora lo que necesitamos es calcular es el tiempo que ha durado ese pulso ultrasónico y la distancia.

El tiempo se calcula mediante una función llamada pulseIN, el cual coloca el pin ECHO en alto.

Finalmente se calcula la distancia utilizando el tiempo calculado previamente. Esta distancia es calculada con la formula previamente vista. Pero te la recuerdo:

Calculo de la distancia y condiciones

Aquí ya efectuamos las condiciones de funcionamiento del proyecto para desplegar los mensajes y la distancia medida.

• Nuestra primera condición nos dice que, si (if) la distancia medida es mayor o igual a 300cm, o menor o igual a 1, el mensaje que se desplegara en el monitor serial será “FUERA DE RANGO”.
• La otra acción alterna (else) es la funcionalidad normal: mide la distancia, la imprime en el monitor serial y el LED se mantiene apagado.

Hemos llegado al final del programa; terminamos con la segunda condición, esta segunda condición nos dice que:

• Si la distancia es menor o igual a 15cm y mayor o igual a 1 cm, el LED se encenderá y se desplegará el mensaje “PELIGRO” en el monitor serial.
• Finalmente le damos un retardo de 500 microsegundos para que pueda calcular la distancia que hay del sensor al objeto.

Funcionamiento

Así se verían los resultados reales implementados en el monitor serial de Arduino:

• Funcionamiento "normal"

• Funcionamiento con el mensaje de "peligro"

• Funcionamiento con el mensaje "Fuera de rango"

En este caso, oscila entre 256.79 cm y un valor igual o mayor a 300 cm.

Código completo del sensor ultrasónico HC-SR04 con Arduino

• A continuación, te dejo el código completo para que puedas realizar este pequeño pero interesante proyecto.

/* 
*  PROYECTO: DETECTOR DE PELIGRO (SENSOR ULTRASÓNICO)
    BY: EWebik 
*/

#define echo 5
#define trig 6
#define led 11
long tiempo;
float distancia;

//Inicia la configuración de programa. 
void setup() {
  pinMode (echo, INPUT); //define el PIN echo como entrada (INPUT)
  pinMode (trig, OUTPUT); //define el PIN trig como salida (OUTPUT)
  pinMode (led, 1);      //define el pin del led como salida (1)
  Serial.begin(9600);    //activamos la comunicación serial
}

//Inicia el ciclo de repetición del programa.
void loop() {
  digitalWrite(trig, LOW); //Escribe en el TRIGGER un pulso bajo (apagado)
  delayMicroseconds(2);    //se mantiene apagado por 2 microsegundos
  digitalWrite(trig, HIGH); //Escribe en el TRIGGER un pulso alto (encendido)
  delayMicroseconds(10);    //Se mantiene el pulso por 10 microsegundos
  digitalWrite(trig, LOW);  //Vuelve a apagar el pulso
  //se genera el eco. 
  
  tiempo = pulseIn(echo, HIGH);       //Calcula el tiempo de duración del pulso
  distancia = float(tiempo*0.0343)/2; //Calculamos la distancia basandonos en las formulas previamente vistas
//CONDICIONALES DEL PROYECTO. 

  if (distancia >= 300 || distancia <= 1) 
  /*
   * Si la distancia es mayor o igual a 300cm O menos o igual a 1cm...
   */
  {
    Serial.println("FUERA DE RANGO"); //Imprime en el monitor serial "FUERA DE RANGO"
  }
  else {                              //En otro caso
    Serial.print(distancia);        //Imprime la distancia calculada 
    Serial.println("cm");               //Le asiga la unidad "cm"
    digitalWrite(led,0);              // El LED se mantiene apagado
  }

  if (distancia <= 15 && distancia >=1){
    /*
     * Si la distancia es menor o igual a 15 cm Y mayor o igual a 1 cm...
     */
  digitalWrite(led,1);                //El LED se enciende
  Serial.println("PELIGRO");            //Imprime en el monitor serial "PELIGRO"
}
delay (500);                         //Retardo de 500 microsegundos para leer la distancia
}

Hemos llegado al final de este texto. Fue muy interesante y práctico todo lo que hemos realizado; sobre todo la última parte donde aplicamos los conocimientos en un proyecto real en Arduino que tú puedes replicar con toda seguridad.

Además de saber la parte práctica, también ya tienes conocimiento de la teoría que hay alrededor de los sensores ultrasónicos en general, así como identificar su símbolo, su descripción gráfica, sus diferentes características, los tipos de sensores ultrasónicos que existen en el mercado y los que se utilizan en la industria, entre otras cosas que ya son parte de tu conocimiento.

Como es costumbre, te dejo algunas cosas que valen la pena recordar:

• El sensor ultrasónico es un tipo de sensor de proximidad que funciona con pulsos acústicos ultrasónicos.
• Hay de diferentes tipos, pero el más usado en proyectos personales y, a veces, en la industria, es el sensor ultrasónico modelo HC-SR04.
• El sensor ultrasónico es compatible con Arduino, PIC y Raspberry.
• Si no dispones en tu aplicación un visualizador de información de tu sensor, puedes activar la comunicación serial y poder ver dichos datos en el monitor serial.
• La velocidad del sonido que se utiliza para calcular la distancia es de 0.0343cm/us (microsegundos).

Y así, es como terminamos. Te felicito mucho por llegar hasta aquí. Ha sido un gusto enorme compartir estos conocimientos contigo. No dejes de practicar. Hasta la próxima, viajero.