连接超声波传感器的开源项目

描述

介绍

在这个项目中，我们将用超声波传感器替换 PIR 传感器。PIR 传感器用于检测运动，而超声波传感器用于测量与传感器视野内物体的距离。超声波传感器在避障和其他需要距离作为变量的系统中很有用。

16x2 字符液晶屏

我们将在 LCD 上显示数据。请参阅我们的项目“Interface a 16x2 Character LCD”，了解如何将 LCD 连接到 Arduino Uno。您应该将 LCD 的引脚 4、6 和 11-14 分别连接到 Uno 引脚 2、3 和 4-7。您可以使用无焊面包板或 Modulus Canister 连接 LCD。下面显示了一个连接到 Modulus 的图像。

 

连接到模数的 16x2 字符 LCD

 

视差超声波传感器

Parallax 的超声波传感器由 3 个引脚组成：GND、5V 和 SIG。SIG 引脚用作输入和输出。当 Uno 发送一个 HIGH 脉冲以触发传感器进行测量时它是一个输入，当传感器发送一个 HIGH 脉冲时它是一个输出，其中脉冲的长度取决于传输声波所花费的时间返回。它可以测量到2厘米到3米范围内的物体的距离。规格表如下所示。

 

 

该传感器的工作原理是发射一波 40kHz 的超声波（人类听觉无法检测到），并测量波返回所需的时间（如果有可检测到的物体）。要启动突发，主机 (Uno) 必须发送一个 2 微秒的 HIGH 触发脉冲。然后，传感器通过空气发送一连串 8 个脉冲（啁啾），将 SIG 引脚设置为高电平，并等待波返回（回声）。当检测到回波时，传感器将 SIG 引脚设置为低电平。SIG 引脚上的这个 HIGH 脉冲的宽度对应于到目标距离的两倍，因为它测量的是波往返于物体的时间。

传感器的时序图如下所示。SIG 引脚波形的颜色差异表示哪个设备正在控制该引脚。例如，Uno 控制引脚发送触发脉冲（蓝色），然后传感器控制引脚发送 HIGH 脉冲（黑色）。

 

超声波传感器时序图

 

由于从传感器接收到的脉冲是及时的，我们必须执行一些计算来将时间转换为距离。声速以每秒 1130 英尺或每秒 340 米的速度传播。首先，我们需要通过乘以 100 将 340m/s 转换为 cm/sec，即 34, 000cm/sec。然后，通过除以 0.034cm/μsec 的 1E6 将 cm/sec 转换为 cm/μsec。使用维度分析的结果如下所示。

 

从 m/sec 转换为 cm/usec

 

接下来，我们需要使用距离公式（d = r × t）。我们知道速率 r，它是 0.034cm/μsec，我们知道时间 t，它是通过使用pulseIn()函数获得的。

例如，假设我们从传感器获得一个 100 微秒的脉冲。使用距离公式，我们得到 d = 0.034cm/μsec × 100μsec = 3.4cm。但是，请记住，我们必须除以 2 ，因为返回的脉冲是声波往返物体所需的时间。结果，最终的答案是 3.4cm/2 = 1.7cm。

将超声波传感器连接到模数

如果您完成了上一个项目“PIR 传感器集成”，请移除 PIR 传感器并插入超声波传感器。您应该将 4 针 R/A 母头焊接到 Modulus，并且还应该有一个 4 针单排公头焊接到 R/A 母头附近。使用它是为了我们可以将 30 AWG 电线绕到引脚上。您必须在每个触点之间创建一个焊桥，以将母头上的相邻引脚连接到公头。接头、焊桥连接和安装的传感器的图像分别如下所示。

 

与模数的公母接头连接

 

 

公母头之间的焊桥

 

 

安装在模数上的超声波传感器

 

焊接接头后，将 Modulus Canister 插入 FuelCan 上的 4×26 针连接器，然后插入超声波传感器，如上图所示。从最右边的公头针开始，将该针绕线到 GND，将右侧的第二个针绕到 4×26 针分接头上的 +5Vdc。接下来，使用 12 英寸 F/M 跳线将右侧的第三个引脚连接到 Uno 上的引脚 8。

无焊面包板

如果您使用的是无焊面包板，请使用下面的示意图进行必要的连接。

 

面包板电路原理图

 

燃料罐接线

如果您还没有将 Uno 安装到 FuelCan 的原型制作区域，请继续执行此操作。如果您使用的是面包板而不是 Modulus，请将面包板放在底部的储物箱中以限制跳线的长度。您需要使用提供的香蕉插孔来测试引线夹电缆，为面包板上的电源和接地轨提供 +5V 和 GND。您将需要两个公头针将测试引线夹安装在面包板一侧。将 USB 电缆的 A 型端插入 USB1 插座，将 B 型端插入 Uno 的插座。使用 AC-DC 电源适配器为 FuelCan 供电。

软件

一旦接线完成并且 FuelCan 通电，我们现在可以将草图加载到 Uno 上。草图如下。首先，引脚 8 设置为输出，因此我们可以向传感器发送触发脉冲并启动超声波脉冲串。引脚 8 设置为高电平 2 微秒，然后将引脚设置为低电平以产生脉冲。接下来，将引脚设置为输入以读取来自传感器的返回脉冲。为了测量返回脉冲的持续时间，我们使用函数pulseIn() ，它有两个参数——第一个参数是要读取脉冲的引脚号，第二个参数是要读取的脉冲类型（HIGH或低）。

一旦获得脉冲宽度（以微秒为单位返回时间），我们必须将时间转换为距离测量值。时间首先转换为厘米，然后以厘米为单位的计算测量值转换为英寸。两个距离测量值显示在 LCD 上，然后将引脚 8 设置为 OUTPUT 以触发下一次距离测量。

延伸阅读

超声波传感器的另一个替代品是 HC-SR04 模块。它不是 3 针，而是 4 针：VCC、TRIG、ECHO 和 GND。还记得我们如何必须将视差传感器的引脚模式从输出切换到输入吗？您不必对 HC-SR04 执行此操作，因为有单独的引脚 TRIG 和 ECHO。

您将在 TRIG 引脚上发送一个触发脉冲（这个脉冲至少为 10 微秒），然后在 ECHO 引脚上接收高电平定时脉冲。HC-SR04 模块的软件如下。TRIG 和 ECHO 引脚分别连接到 Uno 引脚 8 和 9。