Arduino与超声波模块的妙用-测距显示和倒车雷达的小项目应用

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Arduino与超声波模块的妙用-测距显示和倒车雷达的小项目应用

超声波测距模块

倒车雷达的工作原理和超声波测距的不同

倒车雷达的声音原理

一、Arduino与超声波模块的妙用-测距显示和倒车雷达的小项目应用

超声波，是频率高于人类听觉上限的声波。超声波在物理特性上与“正常”（可听）声音没有区别，但人类无法听到因而起名为“超声波”。一般情况下，人耳朵能听到频率范围约在20到2万赫兹之间，而超声波设备的工作频率范围则为 2万赫兹 至数千兆赫。超声波的应用已经用于许多不同的领域。超声波设备用于检测物体和测量距离、超声成像或超声检查常用于医学、在产品和结构的无损检测中，超声波用于检测不可见的缺陷。在工艺上，超声波用于清洁、混合和加速化学过程。而在自然界中，也有蝙蝠和鼠海豚等动物使用超声波来定位猎物和障碍物。所以超声波其实在我们的生活中是无处不在的。

这期文章我们介绍的就是用一个非常常用的超声波测距模块HC-SR04来搭建两个简单有趣的小项目测距显示和倒车雷达。首先来介绍一些干货：

HC-SR04这款经济型传感器可以提供 2cm 至 400cm 的非接触式测量功能，测距精度可达 3mm。每个HC-SR04模块包括一个超声波发射器、一个接收器和一个控制电路。在 HC-SR04 上也只有四个引脚：VCC（电源）、Trig（触发）、Echo（接收）和 GND（接地）。而关于模块与Arduino的连接则是：模块的地和 VCC 引脚需要分别连接到地和 Arduino 板上的 5 伏引脚，触发和回声引脚需要连接到 Arduino 板上的任何数字 I/O 引脚。可以说是一个简单易上手的小模块。

测距显示项目

需要一个Arduino，一个超声波模块，一个OLED显示模块，再来几根跳线。Arduino可以用任意一款，我们展示的是用的Arduino UNO

而关于这个超声波传感器的测距原理呢，其实是它发射 40 000 Hz 的超声波，在空气中传播，如果其路径上有物体或障碍物，它将反弹回模块。再结合传播时间和声速，就可以计算出距离。如图1所示。

图1

而为了产生超声波，需要将 Trig 设置为高状态 10 µs。这将发出一个 8 周期的声波脉冲，它将以声音的速度传播，并将在 Echo 引脚中接收。 Echo 引脚将输出声波传播的时间（以微秒为单位）。如图2所示。

图2

例如，如果物体距离传感器 10 cm，并且声速为 340 m/s 或 0.034 cm/µs，则声波将需要传播大约 294 u 秒。但是你从 Echo 引脚得到的将是这个数字的两倍，因为声波需要向前传播并向后反弹。因此，为了获得以厘米为单位的距离，我们需要将从回波引脚接收到的旅行时间值乘以 0.034，然后再除以 2。

好了，说了那么多理论，我们来实际实验一下。搭建电路的连接有很多种，小伙伴可以自己用喜欢的方式，我们用面包板的来搭建这样可以更清楚地给大家做展示，搭建的参考如图3所示。如果你的Arduino是用USB数据线连接电脑供电就不需要额外的MEGO电源

图3

如果有小伙伴用的是Arduino Nano的话也可以参考下图的搭建，要注意的是模块的连接口和代码要匹配。如果用面包板链接，等程序烧好写进Arduino里，用MEGO供电的话就不用带着数据线到处跑了。

图4

对于代码的部分呢，首先要注意的是加入驱动OLED屏幕的库，因为我们用的是Adafruit 的SSD1306 OLED屏，所以要添加相对应的库，还有就是I/O的分配要和实际的连接一致（我们用的是7、8接口）

其中包含了超声波输入输出的定义，转换成距离计量单位的过程，OLED显示的设定等等，总的来说还是相对简单的。

接下来看一下整体效果。屏幕稍微有点儿小，可以换一个更大OLED显示。

雷达倒车项目

用超声波传感器和Arduino还能对“距离感”玩出别的花样吗？

“耳”熟能详的倒车报警系统其实也是能用超声波传感器来完成的，需要的器件就更简单了：一个Arduino，一个超声波传感器，一个蜂鸣器还有几根跳线就可以。线路的连接如图5所示。

图5

代码如下图。其实超声波传感器在两个项目中都扮演着收集输入信号的作用，收集回来的信号在Arduino里做分析，再通过分析出来的结果进行下一阶段的处理。在这个小项目里，我们设计的思路就是当测到的距离越大时，发送蜂鸣器的信号频率就越小，反之亦然就能达到我们想要的倒车雷达的效果了。

总结来说，这两个小项目都是用超声波传感器做的不同延伸，都是利用它产生超声波再接收到反射回来的信号作为输入再通过微型计算机分析输入的信号产生我们想要的结果，当然它还能做更多更有趣的项目。

一、超声波测距模块

对于第一个问题：
超声波测距，通常在10米以内，但也有个别厂家做到几十米甚至百米的。超声波测距有以下几个特点：1、频率越高，精度也越高，但检测距离越近（空气衰减增大）；2、输出功率越高、灵敏度越高，检测距离也越远（虽然是废话，但我必须写上）；3、通常检测角度小的，测距范围略远；4、以上因素所造成的影响加起来，可能没有被测物体带来的影响更大：例如一个刚性表面（例如钢板）和一根铁丝、或者在钢板表面铺满吸音绵、或者把钢板与探头法线夹角从垂直改为倾斜45度等等，这些因素所带来的影响最大的。这也许不太容易理解，如果把超声波比作可见光，那么刚性表面可以理解成镜子，要想让你发现距离很远的人，对方用镜子‘晃’你是最好不过的了。但如果把镜子罩上黑纸，或者把镜子倾斜45度所带来的影响，你我可想而知，超声波也一样。

第二个问题：
一个单片机上同时使用几个不同频率的超声波模块，这就是软件程序的问题，没有什么难度，大学生就可以做，我想你一定也没问题。关于测距模块，从20KHz~400KHz，测距范围从0.1m~30m这些都不难购到，技术也不是很难。问题是，你能找到这么多频率的探头么？虽然超声波探头的各种频率都有，但它是针对量程来划分的，同一个量程里，频率都很接近（例如3-10米测距基本都是40KHz）。你要在同一个量程里找出4种不同频率来，恐怕是有难度的。当然你也可以用4种不同的频率来驱动同一种探头。可是，若4个频率中的某个频率与探头的中心频率差别大了（例如超过5%），会导致效率大幅减低，如果频率差别小了，识别、区分他们又有困难，例如对于一个40KHz的探头，一般厂家规定的下限和上限也就是38KHz~42KHz，我们就算冒险用到37KHz~43KHz（从可靠性和稳定性考虑，我不赞成这么用），你需要区分37KHz、39KHz、41KHz、43KHz四种频率的反馈信号，如此以来，常规的测距电路是不能用了，你需要研究一种全新的测距方案来识别他们，而且不能影响正常的计时精度，我建议你参考一些微波雷达的技术。

二、倒车雷达的工作原理和超声波测距的不同

倒车雷达：又称泊车辅助系统，或倒车电脑警示系统。通常，倒车雷达由超声波传感器（俗称探头）、控制器和显示器（或蜂鸣器）等三部分组成。系统采用超声波测距原理，在控制器的控制下，由传感器发射超声波信号，当遇到障碍物时，产生回波信号，传感器接收到回波信号后经控制器进行数据处理、判断出障碍物的位置，由显示器显示距离并发出其它警示信号，得到及时警示，从而使驾驶者倒车时做到心中有“数”，使倒车变得更安全、更轻松。

三、倒车雷达的声音原理

倒车雷达利用的是超声波测距原理 通过超声波模块发出超声波 单片机采集声波传播一个来回的时间 然后乘上声速除2 转换为距离 根据距离长短来控制蜂鸣器发声的 为了保证精确 有些测距仪还有温度补偿系统 用于修正 温度对声速造成的影响