連接超聲波傳感器的開源項目

描述

介紹

在這個項目中，我們將用超聲波傳感器替換 PIR 傳感器。PIR 傳感器用于檢測運動，而超聲波傳感器用于測量與傳感器視野內物體的距離。超聲波傳感器在避障和其他需要距離作為變量的系統(tǒng)中很有用。

16x2 字符液晶屏

我們將在 LCD 上顯示數(shù)據(jù)。請參閱我們的項目“Interface a 16x2 Character LCD”，了解如何將 LCD 連接到 Arduino Uno。您應該將 LCD 的引腳 4、6 和 11-14 分別連接到 Uno 引腳 2、3 和 4-7。您可以使用無焊面包板或 Modulus Canister 連接 LCD。下面顯示了一個連接到 Modulus 的圖像。

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連接到模數(shù)的 16x2 字符 LCD

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視差超聲波傳感器

Parallax 的超聲波傳感器由 3 個引腳組成：GND、5V 和 SIG。SIG 引腳用作輸入和輸出。當 Uno 發(fā)送一個 HIGH 脈沖以觸發(fā)傳感器進行測量時它是一個輸入，當傳感器發(fā)送一個 HIGH 脈沖時它是一個輸出，其中脈沖的長度取決于傳輸聲波所花費的時間返回。它可以測量到2厘米到3米范圍內的物體的距離。規(guī)格表如下所示。

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該傳感器的工作原理是發(fā)射一波 40kHz 的超聲波（人類聽覺無法檢測到），并測量波返回所需的時間（如果有可檢測到的物體）。要啟動突發(fā)，主機 (Uno) 必須發(fā)送一個 2 微秒的 HIGH 觸發(fā)脈沖。然后，傳感器通過空氣發(fā)送一連串 8 個脈沖（啁啾），將 SIG 引腳設置為高電平，并等待波返回（回聲）。當檢測到回波時，傳感器將 SIG 引腳設置為低電平。SIG 引腳上的這個 HIGH 脈沖的寬度對應于到目標距離的兩倍，因為它測量的是波往返于物體的時間。

傳感器的時序圖如下所示。SIG 引腳波形的顏色差異表示哪個設備正在控制該引腳。例如，Uno 控制引腳發(fā)送觸發(fā)脈沖（藍色），然后傳感器控制引腳發(fā)送 HIGH 脈沖（黑色）。

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超聲波傳感器時序圖

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由于從傳感器接收到的脈沖是及時的，我們必須執(zhí)行一些計算來將時間轉換為距離。聲速以每秒 1130 英尺或每秒 340 米的速度傳播。首先，我們需要通過乘以 100 將 340m/s 轉換為 cm/sec，即 34, 000cm/sec。然后，通過除以 0.034cm/μsec 的 1E6 將 cm/sec 轉換為 cm/μsec。使用維度分析的結果如下所示。

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從 m/sec 轉換為 cm/usec

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接下來，我們需要使用距離公式（d = r × t）。我們知道速率 r，它是 0.034cm/μsec，我們知道時間 t，它是通過使用pulseIn()函數(shù)獲得的。

例如，假設我們從傳感器獲得一個 100 微秒的脈沖。使用距離公式，我們得到 d = 0.034cm/μsec × 100μsec = 3.4cm。但是，請記住，我們必須除以 2 ，因為返回的脈沖是聲波往返物體所需的時間。結果，最終的答案是 3.4cm/2 = 1.7cm。

將超聲波傳感器連接到模數(shù)

如果您完成了上一個項目“PIR 傳感器集成”，請移除 PIR 傳感器并插入超聲波傳感器。您應該將 4 針 R/A 母頭焊接到 Modulus，并且還應該有一個 4 針單排公頭焊接到 R/A 母頭附近。使用它是為了我們可以將 30 AWG 電線繞到引腳上。您必須在每個觸點之間創(chuàng)建一個焊橋，以將母頭上的相鄰引腳連接到公頭。接頭、焊橋連接和安裝的傳感器的圖像分別如下所示。

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與模數(shù)的公母接頭連接

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公母頭之間的焊橋

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安裝在模數(shù)上的超聲波傳感器

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焊接接頭后，將 Modulus Canister 插入 FuelCan 上的 4×26 針連接器，然后插入超聲波傳感器，如上圖所示。從最右邊的公頭針開始，將該針繞線到 GND，將右側的第二個針繞到 4×26 針分接頭上的 +5Vdc。接下來，使用 12 英寸 F/M 跳線將右側的第三個引腳連接到 Uno 上的引腳 8。

無焊面包板

如果您使用的是無焊面包板，請使用下面的示意圖進行必要的連接。

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面包板電路原理圖

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燃料罐接線

如果您還沒有將 Uno 安裝到 FuelCan 的原型制作區(qū)域，請繼續(xù)執(zhí)行此操作。如果您使用的是面包板而不是 Modulus，請將面包板放在底部的儲物箱中以限制跳線的長度。您需要使用提供的香蕉插孔來測試引線夾電纜，為面包板上的電源和接地軌提供 +5V 和 GND。您將需要兩個公頭針將測試引線夾安裝在面包板一側。將 USB 電纜的 A 型端插入 USB1 插座，將 B 型端插入 Uno 的插座。使用 AC-DC 電源適配器為 FuelCan 供電。

軟件

一旦接線完成并且 FuelCan 通電，我們現(xiàn)在可以將草圖加載到 Uno 上。草圖如下。首先，引腳 8 設置為輸出，因此我們可以向傳感器發(fā)送觸發(fā)脈沖并啟動超聲波脈沖串。引腳 8 設置為高電平 2 微秒，然后將引腳設置為低電平以產(chǎn)生脈沖。接下來，將引腳設置為輸入以讀取來自傳感器的返回脈沖。為了測量返回脈沖的持續(xù)時間，我們使用函數(shù)pulseIn() ，它有兩個參數(shù)——第一個參數(shù)是要讀取脈沖的引腳號，第二個參數(shù)是要讀取的脈沖類型（HIGH或低）。

一旦獲得脈沖寬度（以微秒為單位返回時間），我們必須將時間轉換為距離測量值。時間首先轉換為厘米，然后以厘米為單位的計算測量值轉換為英寸。兩個距離測量值顯示在 LCD 上，然后將引腳 8 設置為 OUTPUT 以觸發(fā)下一次距離測量。

延伸閱讀

超聲波傳感器的另一個替代品是 HC-SR04 模塊。它不是 3 針，而是 4 針：VCC、TRIG、ECHO 和 GND。還記得我們如何必須將視差傳感器的引腳模式從輸出切換到輸入嗎？您不必對 HC-SR04 執(zhí)行此操作，因為有單獨的引腳 TRIG 和 ECHO。

您將在 TRIG 引腳上發(fā)送一個觸發(fā)脈沖（這個脈沖至少為 10 微秒），然后在 ECHO 引腳上接收高電平定時脈沖。HC-SR04 模塊的軟件如下。TRIG 和 ECHO 引腳分別連接到 Uno 引腳 8 和 9。