Raspberry Pi 4B超聲波距離測量和顯示

描述

介紹

HC-SR04 超聲波傳感器

關(guān)于超聲波距離傳感器

聲音由通過介質(zhì)（例如空氣）的振蕩波組成，音高由這些波彼此的接近程度決定，定義為頻率。只有一些聲譜（聲波頻率范圍）是人耳可以聽到的，定義為“聲學(xué)”范圍。低于聲學(xué)的極低頻聲音被定義為“次聲”，高于聲學(xué)的高頻聲音被稱為“超聲波”。

超聲波傳感器旨在使用類似于雷達的超聲波反射來感知物體的接近度或范圍，以計算在傳感器和固體物體之間反射超聲波所需的時間。主要使用超聲波，因為它對人耳是聽不見的，并且在短距離內(nèi)相對準確。你當然可以為此目的使用聲學(xué)聲音，但你會有一個嘈雜的機器人，每隔幾秒鐘就會發(fā)出嗶嗶聲......

一個基本的超聲波傳感器由一個或多個超聲波發(fā)射器（基本上是揚聲器）、一個接收器和一個控制電路組成。發(fā)射器發(fā)出高頻超聲波，從附近的任何固體物體上反彈。一些超聲波噪聲被傳感器上的接收器反射和檢測到。該返回信號然后由控制電路處理，以計算發(fā)送和接收信號之間的時間差。隨后可以使用這個時間以及一些巧妙的數(shù)學(xué)計算來計算傳感器和反射物體之間的距離。

我們將在本教程中為 Raspberry Pi 使用的 HC-SR04 超聲波傳感器有四個引腳：接地 (GND)、回波脈沖輸出 (ECHO)、觸發(fā)脈沖輸入 (TRIG) 和 5V 電源 (Vcc)。我們使用 Vcc 為模塊供電，使用 GND 將其接地，并使用我們的 Raspberry Pi 向 TRIG 發(fā)送輸入信號，從而觸發(fā)傳感器發(fā)送超聲波脈沖。脈沖波從附近的任何物體上反彈，一些被反射回傳感器。傳感器檢測這些返回波并測量觸發(fā)和返回脈沖之間的時間，然后在 ECHO 引腳上發(fā)送一個 5V 信號。

ECHO 將是“低”（0V），直到傳感器在接收到回波脈沖時被觸發(fā)。一旦找到返回脈沖，ECHO 在該脈沖的持續(xù)時間內(nèi)設(shè)置為“高”（5V）。脈沖持續(xù)時間是傳感器輸出超聲波脈沖與傳感器接收器檢測到返回脈沖之間的完整時間。因此，我們的 Python 腳本必須測量脈沖持續(xù)時間，然后計算距離。

重要的。HC-SR04 上的傳感器輸出信號 (ECHO) 額定電壓為 5V。但是，Raspberry Pi GPIO 上的輸入引腳額定電壓為 3.3V。將 5V 信號發(fā)送到未受保護的 3.3V 輸入端口可能會損壞您的 GPIO 引腳，這是我們要避免的事情！我們需要使用一個由兩個電阻組成的小型分壓器電路，將傳感器輸出電壓降低到我們的 Raspberry Pi 可以處理的電壓。

分壓器

分壓器由兩個串聯(lián)的電阻器（R1 和 R2）組成，輸入電壓 (Vin) 需要降低到我們的輸出電壓 (Vout)。在我們的電路中，Vin 將是 ECHO，需要從 5V 降低到我們的 3.3V Vout。

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以下電路和簡單的公式可應(yīng)用于需要降低電壓的許多應(yīng)用。如果您不想學(xué)習(xí)技術(shù)含量，只需抓住 1 x 1kΩ 和 1 x 2kΩ 電阻即可。

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無需深入到數(shù)學(xué)方面，我們實際上只需要計算一個電阻值，因為分壓比很重要。我們知道我們的輸入電壓（5V）和我們需要的輸出電壓（3.3V），我們可以使用任何電阻組合來實現(xiàn)降低。我碰巧有一堆額外的 1kΩ 電阻，所以我決定在電路中使用其中一個作為 R1。

插入我們的值，這將是以下內(nèi)容：

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所以，我們將使用一個 1kΩ 的 R1 和一個 2kΩ 的電阻作為 R2！

組裝電路

在項目的這一部分，我們將在 Raspberry Pi 上使用四個引腳：

GPIO 5V [引腳 4] 用于 Vcc（5V 電源）

• GPIO 5V [引腳 4] 用于 Vcc（5V 電源）

GPIO GND [引腳 6] 用于 GND（0V 接地）

• GPIO GND [引腳 6] 用于 GND（0V 接地）

GPIO 3 [Pin 5] 用于 TRIG（GPIO 輸出）

• GPIO 3 [Pin 5] 用于 TRIG（GPIO 輸出）

GPIO 2 [Pin 3] 用于 ECHO（GPIO 輸入）

• GPIO 2 [Pin 3] 用于 ECHO（GPIO 輸入）

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1. 將四根公對母跳線插入 HC-SR04 上的引腳，如下所示：紅色；VCC，藍色；觸發(fā)，黃色；回聲和黑色；接地。

2. 將 Vcc 插入面包板的正極軌，將 GND 插入負極軌。

3. 將 GPIO 5V [Pin 4] 插入正極軌，將 GPIO GND [Pin 6] 插入負極軌。

4. 將 TRIG 插入空白導(dǎo)軌，然后將該導(dǎo)軌插入 GPIO 2 [Pin 3]。（如果需要，可以將 TRIG 直接插入 GPIO 2）。我個人只是喜歡在面包板上做所有事情！

5. 將 ECHO 插入空白軌，使用 R1（1kΩ 電阻）連接另一個空白軌

6. 使用 R2（2kΩ 電阻）將 R1 導(dǎo)軌與 GND 導(dǎo)軌連接起來。在兩個電阻之間留出空間。

7. 使用 R1（1kΩ 電阻）將 GPIO 3 [Pin 5] 添加到導(dǎo)軌。此 GPIO 引腳需要位于 R1 和 R2 之間。

LED燈條

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條形圖顯示

這個顯示器真是個好主意。有很多項目，您可能需要一排 LED 來顯示讀數(shù) - 溫度、聲音、濕度、未讀電子郵件、距離下一個事件的時間等。雖然連接一排 LED 非常好，但這些小顯示器可以為您提供項目看起來很酷的“復(fù)古太空電影控制面板”。

它們使用與 10 個 LED 完全相同數(shù)量的引腳，因此在連接方面沒有任何節(jié)省，但是它們在面包板上使用的空間要少一些，因為 LED 需要為它們的大頭留出空間。

接線

連接這些顯示器之一與連接 10 個單獨的 LED 相同。一側(cè)有一排 10 個正極（陽極）連接（通常是 LED 上較長的腿），另一側(cè)是負極接地連接（陰極）。每個陽極引腳連接到一個 GPIO 引腳，每個陰極引腳連接到一個電阻器，然后連接到 Pi 的接地引腳。

這些顯示器具有相同長度的腿，但您可以分辨哪一側(cè)有陰極/接地連接，因為顯示器的邊緣之一會有輕微的倒角。當然也要檢查您的數(shù)據(jù)表！

簡而言之，我們需要做的就是添加 10 個電阻（我發(fā)現(xiàn) 150Ω 的電阻足以讓 LED 變亮，但就從 Raspberry Pi 引腳汲取的電流而言仍然是安全的）。

4位7段顯示器

該顯示器可用于顯示傳感器測量的厘米數(shù)。

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它是如何工作的？

如果將引腳 12 連接到 GND，則第一個數(shù)字將激活（9 = 第二，8 = 第三，6 = 第四）。