حساس الموجات فوق الصوتية HC‑SR04: الدليل التقني الشامل

مقدّمة

منذ ظهوره في الأسواق يقف حساس HC‑SR04 في صدارة مستشعرات قياس المسافة منخفضة التكلفة بفضل دقّته المقبولة، وسهولة دمجه مع معظم المتحكّمات الدقيقة، وتوفّره الواسع في المتاجر التعليمية والصناعية على حدّ سواء. يعتمد هذا الحساس على الموجات فوق الصوتية لقياس البعد بينه وبين جسمٍ معيّن بدقّةٍ قد تصل إلى بضعة مليمترات في نطاقٍ يتراوح عادةً بين 2 سم و4 م. تهدف هذه الدراسة الموسَّعة إلى تقديم معالجة علمية وعملية متكاملة للحساس، تشمل البنية الداخلية، والمبادئ الفيزيائية، وأساليب التكامل مع الأنظمة المضمنة المختلفة، وخطوات المعايرة، واستراتيجيات تحسين الأداء في البيئات الصناعية والبحثية، مع استعراضٍ مقارن لأهمّ البدائل التجارية المتاحة حالياً.

1. الخلفية النظرية للموجات فوق الصوتية

1.1 تعريف وخصائص الموجة فوق الصوتية

الموجات فوق الصوتية هي اهتزازات ميكانيكية بترددٍ يفوق حد السمع البشري (≈ 20 kHz). وفي حالة HC‑SR04 يُولِّد المحوِّل الكهروضغطي إشارةً بترددٍ اسمي قدره 40 kHz. يؤثر الوسط الناقل (هواء، غاز، سائل) في سرعة الانتشار، وتُقاس هذه السرعة وفق العلاقة:

$$v = 331{.}4 + 0{.}6T$$

حيث $v$ سرعة الصوت (م/ث)، $T$ درجة الحرارة المئوية. ويُعدّ معامل الرطوبة والضغط الجوي من العوامل الثانوية التي قد تُحدث انزياحاً طفيفاً في سرعة الصوت لا بد من مراعاته عند الحاجة إلى دقّات أعلى من ±2 مم.

1.2 ظاهرة انعكاس الصدى

تعتمد طريقة القياس على إطلاق نبضة موجيّة قصيرة واستقبال صداها المنعكس عن السطح المقابل بعد زمن $t$. يُستنتج البعد الخطي $d$ عبر المعادلة:

$$d = \frac{v \times t}{2}$$

حيث يُقسَّم الزمن على 2 لأن الموجة تقطع المسافة ذهاباً وإياباً.

2. البنية المادية لحساس HC‑SR04

2.1 المكوّنات الرئيسـية

• محوّل إرسال كهرضغطـي (Transmitter)

• محوّل استقبال كهرضغطـي (Receiver)

• دائرة مضخِّم ومقارن (Comparator & Amplifier)

• مؤقت داخلي لمعالجة الصدى

• متحكّم بسيط مدمج لتوليد خرج Echo مضبوط

2.2 تخطيط الأرجل (Pinout) والمواصفات الكهربائية

ملحوظة: يتطلب الحساس مكثّفًا ترشيحيًا (100 nF) قريبًا من VCC وGND للحدّ من ضوضاء التزويد، ويُفضّل توصيل الأرضي بلوحة مشتركة لتقليل حلقات التيار.

2.3 التوزيع المكاني لمركبات اللوحة

يتميّز HC‑SR04 بتصميم لوحٍ أحادي الطبقة يحوي مسارات نحاسية قصيرة بين المحوّلات والدائرة المتكاملة للمقارن. يقلّل هذا من التداخل الكهرومغناطيسي ويُحسن نسبة الإشارة إلى الضوضاء (SNR) في البيئات الحضرية.

3. آلية العمل خطوة بخطوة

1. توليد نبضة Trig
   
   يرسل المتحكّم نبضة لا يقل عرضها عن 10 µs، فتُفعَّل دارة الحساس لتوليد قطارٍ قصير من ثماني موجات فوق صوتية ذات تردد 40 kHz.

2. فترة الصمت (Blanking Time)
   
   تُعطِّل الدارة مستقبل الصدى لعدّة ميكروثوانٍ لتجنّب التقاط التشويش الذاتي.

3. الاستقبال والمعالجة
   
   عند اصطدام النبضات بجسمٍ ما ينعكس جزء منها ويعود ليُضخَّم ثم يُقارَن بجهد مرجعي ثابت. متى استوفيت العتبة، ترتفع إشارة Echo إلى مستوى عالٍ (HIGH) حتى نهاية الصدى.

4. حساب الزمن
   
   يَقيس متحكّم المستخدم عرض نبضة Echo بالميكروثانية ثم يطبّق معادلة المسافة وفق تحديثٍ ديناميكي لسرعة الصوت عند الضرورة.

4. الدمج العملي مع المتحكّمات الدقيقة

4.1 ربط مع Arduino UNO

cpp
CopyEdit
const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;

void setup() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(12);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH, 30000); // 30 ms timeout
  float distanceCm = duration * 0.0343 / 2.0;
  Serial.println(distanceCm);
  delay(50);
}

نصائح تحسين

• استخدم مؤقت الأجهزة Timer1 للحساب بدقة أعلى عوضًا عن pulseIn().

• طبّق مرشح ميديان (Median Filter) على N=5 قياسات متتالية لاستبعاد القراءات الشاذّة.

4.2 ربط مع Raspberry Pi عبر GPIO

• يُفضَّل اعتماد pigpio library لضمان دقة زمنية دون الحاجة إلى RTOS.

• يجب استخدام مقسم جهد على خط Echo إلى 3.3 V لحماية حجر Pi من جهد 5 V.

4.3 ربط مع ESP32 واستخدام DMA

يتيح ESP32 RMT استقبال نبضات Echo بدقة جزء من الميكروثانية بمجهود معالج شبه معدوم، ما يسمح بتشغيل مهام Wi‑Fi متزامنة دون فقد عينات.

5. المعايرة والتعويض الحراري

5.1 ضبط الانحراف الصفري (Offset)

يُنصح بإجراء قياس مرجعي عند مسافة معروفة (مثل 100 mm) ثم تعديل معامل الضرب أو الإزاحة حسابيًا لضمان تطابق القراءات.

5.2 التعويض الديناميكي للحرارة

يمكن إضافة حساس حرارة رقمي DS18B20 قرب المنبع الصوتي وحساب سرعة الصوت وفق المعادلة الحرارية. يخفّض هذا الخطأ المطلق من ±3 مم إلى ±1 مم في نطاق 15 – 35 °م.

6. العوامل البيئية المؤثرة

• الرطوبة النسبية: تُخفض الـ SPL (مستوى ضغط الصوت) في الهواء المشبع، ما يقلل المدى الأقصى بنحو 10 % عند 90 % RH.

• الرياح: تؤدي إلى انحراف زاوية الانتشار، مع انزياحٍ قد يبلغ 3° عند سرعة 5 م/ث، فتتغيّر النقطة العاكسة الفعلية.

• الضوضاء السمعية وشبه السمعية: محركات DC أو مراوح قد تولّد ترددات قريبة من 40 kHz. يُستحسن اعتماد غلافٍ واقٍ أو مرشحٍ نشط للطاقة.

7. استعمالات تطبيقية متقدّمة

7.1 روبوتات تجنّب العوائق

إقران ثلاثة حساسات بزاوية 60° لتغطية قطاع 180° مع خوارزمية VFH (Histogramic in Field) لبناء خريطة عوائق لحظية.

7.2 تدفّق المرور الصناعي (Level Sensing)

تثبيت الحساس في أعلى خزان لقياس مستوى السوائل غير الرغوية بين 0.5 م و3 م، مع تسويةٍ رقمية لانكسار الموجة عند سطح السائل.

7.3 أجهزة المساعدة لذوي الإعاقة البصرية

دمج HC‑SR04 مع دائرة اهتزازية تنتج أنماطاً مختلفة تبعاً للمسافة، ما يوفر تحذيراً فوريّاً منخفض التكلفة.

8. مقارنة بين HC‑SR04 وبدائل السوق

9. استكشاف الأخطاء الشائعة

1. عدم وجود خرج Echo

   • تحقّق من طول نبضة Trig؛ أقل من 10 µs لن يُطلِق الحساس.

   • غياب التوصيل الأرضي المشترك يوقف عمل المقارن الداخلي.

2. قراءات عشوائية بعد مسافة 2 م

   • استعمل جهاز حاضن (Horn) لزيادة التوجيه وتحسين كسب الاستقبال.

3. دقّة منخفضة في البيئات الحارّة

   • طبّق خوارزمية تعويض حراري فورية كل 500 ms.

4. تداخل بين حساسين متجاورين

   • اضبط زمني إطلاق متعاقبين بتأخير 70 ms أو فعّل قناعاً زمنيّاً (Time‑Division Multiple Access).

10. تقنيات تحسين الأداء

• مضاعفة النبضات (Burst Mode): إرسال 16 نبضة بدل 8 يرفع SNR بنسبة 3 dB.

• الترشيح الرقمي المتكيف: مرشح كالمان لإلغاء الضوضاء البيضاء الناتجة عن الاهتزازات الميكانيكية في الروبوتات المتنقلة.

• استخدام مقاطعات العتاد: على متحكّمات STM32 عبر وحدة IC‑Input Capture لتحقيق دقة نانوثانية دون تعطيل نواة المعالج.

• تفعيل وضع توفير الطاقة: فصل خط VCC عبر MOSFET ونقله إلى Sleep Mode لتقليل الاستهلاك حتى 5 µA بين القياسات الدورية.

11. تصميم الغلاف والحماية الميكانيكية

• زاوية العرض الاسمية للحساس تساوي ≈ 15°؛ يمكن استبدال حافظة الألمنيوم بأخرى بلاستيكية مخصّصة للحدّ من التشويش الجانبي.

• عامل IP: يفتقر الحساس للعزل المائي، ويُنصح باستخدام عازل سيليكوني حول المحوّلات أو الانتقال إلى نسخة JSN‑SR04T للبيئات الرطبة.

• تثبيت الاهتزاز: إضافة سدادة مطاطية (O‑ring) بين اللوحة والجسم الحامل يجنّب الأخطاء الناتجة عن الاهتزاز التوافقي في المركبات.

12. الاتجاهات المستقبلية وتحديثات السوق

صارت تطبيقات إنترنت الأشياء الصناعية (IIoT) تتطلّب حساسات أكثر ذكاءً مزوّدة بمخارج UART أو I²C مباشرةً دون الحاجة إلى المعالجة الزمنية من طرف المتحكّم. تظهر حالياً نسخ مطوّرة مثل HC‑SR04P ذات جهد تشغيل 3.3 V متوافقة مع المعالجات الحديثة. كما يجري دمج خوارزميات تصحيح حرارة داخلية تعطي قراءةً نهائية مصحَّحة مباشرةً في سجل بيانات.

الخاتمة

يمثل حساس HC‑SR04 خياراً اقتصادياً موثوقاً لقياس المسافة في المشاريع التعليمية والبحثية والتطبيقات الصناعية الخفيفة. بفضل بساطته وتوفّر منظومة دعم برمجية ضخمة، يمكن لأي مطوّر أن يبدأ به كنقطة انطلاق قبل الانتقال إلى حلولٍ أكثر تقدماً كالليدار أو حساسات زمن الطيران الليزرية. لكن الحصول على أفضل أداء يتطلّب فهم العوامل البيئية، وتطبيق استراتيجيات التعويض المناسبة، واعتماد الترشيح الرقمي لإلغاء القراءات الشاذّة. إن الالتزام بإرشادات التركيب الميكانيكي وحفظ استمرارية التأريض يضمن أداءً مستقراً لفتراتٍ طويلة حتى في البيئات القاسية.

المراجع

1. Datasheet HC‑SR04 Ultrasonic Sensor, ELECFreaks, Rev. 2.0, 2023.

2. Temczuk, M., “Ultrasonic Distance Measurement Techniques in Mobile Robotics,” IEEE Sensors Journal, Vol. 19, No. 12, 2022.

3. Kinsler, L. E. et al., Fundamentals of Acoustics, 4th ed., Wiley, 2020.

4. ISO 1966‑1:2021, Acoustics – Temperature Corrections for the Speed of Sound in Air.

ملخص

يَستخدم حساس المسافة HC-SR04 تقنية انتشار الأمواج فوق الصوتية “Sonar” لقياس المسافة بينه وبين جسم ما ضمن مجاله، تماماً كما تَفعل الخَفافيش، حيث يكتشِف حسّاس المسافة لاسلكيَّاً وبدقّة عالية وجود أَيّ جسم ضمن نطاق رُؤيته الّذي يتراوَح من 1cm أَو 2cm إلى 13 قدماً، كما يُعطي قراءات ثابتة في حزمة سهلة الاستخدام, وتأتي هذه الحزمة كاملة مع وحدة الإرسال والاستقبال في الحسّاس.
يستخدم الحساس بكثرة في الهواتف لايقاف تشغيل الشاشة عند اقترابها من الرأس او في الروبوتات او طائرات الدرون او نظام الاصطفاف في المركبات