HC-SR04 超音波感測器介紹

 

超音波感測器（老外好像把它叫作 PING))) sensor）是由超音波發射器、接收器和控制電路所組成。當它被觸發的時候，會發射一連串 40 kHz 的聲波並且從離它最近的物體接收回音。超音波是人類耳朵無法聽見的聲音，因為它的頻率很高。

如下圖所示，超音波測量距離的方法，是測量聲音在感測器與物體之間往返經過的時間：

記得國中理化有教過，聲音在空氣中的傳播速度大約是每秒 340 公尺，傳播速度會受溫度影響，溫度愈高，傳播速度愈快。假設以 340 公尺計算，1000000 / 340 * 100 = 29.4 microseconds，四捨五入後，可知聲音傳播 1 公分所需的時間為 29 microseconds (百萬分之一秒）。

由於超音波從發射到返迴是兩段距離，因此在計算時必須將結果除以 2 才是正確的物體距離。所以我們可以利用底下的公式算出物體距離（距離單位為公分，其中 timing 是測量得到的音波傳播時間）：

timing / 29 / 2

超音波感測器主要應用在機器人或自走車避障、物體測距等。

HC-SR04

HC-SR04 是一個超音波感測器，價格大約 100 元左右，它可以探測的距離為 2cm-400cm，精度為 0.3 cm，感應角度為 15 度。

HC-SR04 的接線方式很簡單，總共只有 4 支接腳。

HC-SR04	Arduino
Vcc	+5V
Trig	GPIO
Echo	GPIO
GND	GND

程式

Arduino 軟體內建了一個超音波測距的範例，Sketch 位置為 File > Examples > 06.Sensors > Ping，它所用的方法，是送出一個 HIGH 訊號到 Trig 腳位，接著測量音波從發射到返回的時間，再套用公式算出距離。

這邊我們不用 Arduino 內建的 Ping 範例，而是使用 HC-SR04 Ultrasonic Sensor Library，因為這個 library 已經把測距的公式都包成了函式庫，使用上比較方便。HCSR04Ultrasonic library 目前最新的版本是 1.1.2 版，可以在這裏下載。底下是一個範例:

這支程式每秒鐘會測量一次物體距離，並且將音波傳播時間（單位為 microseconds, MS）、物體距離（分成公分與英吋兩種單位，分別以 CM 和 IN 表示）印到 Serial Port。下圖是一個輸出結果：

 

LCD 顯示

知道超音波感測器的運作原理與使用方式後，只要結合 LCD 顯示器，便可以把測量到的距離顯示在 LCD 上。

▲ 利用超音波測量名片的長度，得 9.14 公分，還挺準的！

我用的是 I2C 16x2 LCD，關於 I2C 16x2 LCD 的使用方法，請參考「I2C 16x2 LCD 介紹」 。

完整程式碼如下：

參考資料

• HC-SR04 Ultrasonic Sensor Library
• 用 pulseIn 量測 button 被按了多久
• Ping Ultrasonic Range Finder
• I2C 16x2 LCD 介紹
• Arduino 動手玩（1）HC-SR04 超音波模組簡易範例
• 阿簡生物筆記: 用arduino+超音波模組測距

使用 L298N 模組控制直流馬達

這是一個很方便的 L298N 模組，在網路賣場上搜尋一下就可找到，價格大概在 150 至 250 元之間，它可以驅動兩個直流馬達或是一個步進馬達，控制訊號可以用 Arduino 或是其它微控制器輸入。

這塊板子上帶有一個 5V 穩壓器，使用者可以選擇要不要打開 5V 輸出介面，以提供 5V 電源給 Arduino 或其它微控制器。

使用方法

使用的時候，可以參考上圖或是底下兩張表連接電源、馬達以及 Arduino。

端子台 (Terminal Block)
No	名稱	說明
1	A+	Motor A+
2	A-	Motor A-
3	VMS	供電 (+5V ~ 35V)
4	GND	Ground
5	5V	5V output
6	B+	Motor B+

排針 (Male Header)
No	名稱	說明
1	ENA	Enable Bridge A
2	IN1	Input 1
3	IN2	Input 2
4	IN3	Input 3
5	IN4	Input 4
6	ENB	Enable Bridge B

底下這張表說明使用 IN1 與 IN2 控制 Motor A 的方法，Motor B 的控制邏輯也是一樣的，只是要改用 IN3 和 IN4 來控制。

ENA	IN1	IN2	功能
HIGH	HIGH	LOW	馬達正轉
HIGH	LOW	HIGH	馬達反轉
HIGH	IN1=IN2	IN1=IN2	馬達快速停止
LOW	ingored	ignored	馬達慢速停止

來看個簡單的範例:

程式碼

這支程式只是讓兩顆馬達不斷前進、後退、右轉和左轉，每個方向各跑一秒鐘。

示範影片:

參考資料

• Arduino - 使用 H Bridge 控制直流馬達
• OSSLab – Remote Car
• 淘寶 – L298N 電機驅動模組

Arduino 七段顯示器擴充板

玩 Arduino 玩了快兩年，終於開始學習電路焊接了。今天到台北數位藝術中心參加 Peter 潘老師的「手焊 Arduino 互動裝置工作坊」上一整天的焊接實做課程，這是今天的成果，我的第一張 Arduino 擴充板：

▲ Arduino 七段顯示器擴充板（正面）

▲ Arduino 七段顯示器擴充板（背面）

 
▲ 與 Arduino 合體照

從這幾張照片，看得出我的焊功還要好好加強，不過不管怎麼樣，初體驗感覺總是特別的。

這張擴充板用到的主要材料：

• 共陽極七段顯示器 x 1
• 330 歐姆電阻 x 8
• 按鍵開關 x 1
• 10k 歐姆電阻 x 1

接線圖

課堂上潘老師也大略介紹了如何用 Fritzing 繒製電路圖。假如用麵包板來製作今天的電路，底下是線路參考接法：

Arduino 與七段顯示器的腳位對應表：

Arduino 腳位	七段示顯器腳位 (筆劃)
D8	a
D11	b
A0	c
D12	d
D13	e
D9	f
D10	g
A1	dp

電路圖

Fritzing 產生的電路圖（當然，Fritzing 自動佈線還不夠聰明，還得手工佈線一下才會整齊）：

程式碼

這支程式的邏輯很簡單，當按下按鍵時，就從 0 開始計數，每按一下計數一次，數到 9 時就回頭從 0 開始數起。底下是一段示範影片：

參考資料

• 潘 Peter Arduino workshop
• 手焊 Arduino 互動裝置工作坊講義
• Arduino 筆記 – Lab7 使用七段顯示器製作倒數功能 
• Fritzing – PCB 印刷電路板的設計工具

Blueterm and Arduino

Blueterm 是一個 terminal App，可以用來顯示通過 bluetooth serial port 連線傳送的資料。這篇教學將教你如何使用 Blueterm 讓 Arduino 與 Android 建立藍芽通訊。

所需材料

• Android 裝置 x 1
• Arduino x 1
• bluetooth module x 1

Step 1: 安裝 Blueterm

到 Google Play 下載並安裝 Blueterm 到 Android 裝置上。

Step 2: 安裝 Arduino IDE 並上傳測試程式

如果你電腦上還沒有 Arduino IDE，請先到 http://arduino.cc/en/Main/Software 下載軟體，下載後解壓縮即可。

接著將底下的 Arduino Sketch 上傳到 Arduino 板子上:

這支程式所用的 baud rate 預設是 57600 bps，如果你的藍芽模組不是 57600 bps，記得先做適當的調整：

Step 3: 連接藍芽模組

我用的是廣州匯承信息科技的 HC-0x 系列藍芽模組，下圖是 HC-0x 藍芽模組的外觀：

 
▲ HC-0x 藍芽模組 (圖左：正面圖，圖右：背面圖）

這個藍芽模組連接方法很簡單，只要照下表把 Arduino 和藍芽模組連接起來就好：

Arduino	藍芽模組	備註
5V	VCC	注意電源不可接錯
GND	GND	注意電源不可接錯
RXD	TXD
TXD	RXD

連接的時候有兩點要注意：第一是電源千萬不可接錯，不然藍芽模組可能會壞掉，第二是 Arduino 的 RXD 要接藍芽模組的 TXD，而 Arduino 的 TXD 要接藍芽模組的 RXD。

通電之後，藍芽模組上的 LED 會一直閃爍：

Step 4: 測試連線

打開 Android 上的 Blueterm App，然後跟著後面的步驟做:

按 Menu 鍵打開選單（如下圖左），為了方便，你可能會想要打開 Local echo，請按 Prefeneces，然後啟用 Local echo（如下圖右），你也可以把 Font size 調大一些，這樣眼睛會比較舒服:

回到選單，選擇 Connect device，如下圖左所示，點擊 Scan for devices 掃瞄藍芽裝置，然後選擇 Arduino 的藍芽裝置（如下圖右）：

 

如下圖所示，如果是第一次跟藍芽裝置連線，Android 會出現「藍牙配對要求」的畫面，此時必須輸入配對密碼（一般為 0000 或 1234）才能與此藍芽裝置連線：

 

建立連線後 (此時藍芽裝置上的 LED 會停止閃爍)，接著你就可以在 terminal 上輸入資料測試通訊:

如果一切順利，當你在 terminal 輸入 1 時，Arduino 板子上的 LED 就會打開，而且 Android 會收到 "Arduino Led On" 的訊息，當你輸入 0 時，Arduino 板子上的 LED 就會關掉，而且 Android 會收到 "Arduino Led Off" 的訊息。

▲ Arduino 板子上的 LED

參考資料

• Arduino to Android – Basic Bluetooth Connectivity Tutorial
• Arduino, Android and Seeedstuidio Bluetooth Bee

LCDproc for Arduino

LCDproc 簡介

可以這麼說，LCDproc 相當於是 Linux 版的 LCD Smartie，它也是 open source 的軟體，可以用來在 LCD 上顯示 Linux/BSD 的系統資訊，比如 CPU load, system load, 記憶使用狀況, uptime 等等資訊。這篇將介紹如何在 Ubuntu 上安裝 LCDproc 並使用 Arduino 來製作一個 LCDproc 顯示設備。

Arduino 軟硬體設定

1. 連接 Arduino 及 LCD，如果你用的跟我一樣是 I2C LCD，請安裝 I2C 的 LiquidCrystalLCD library，線路接法可參考這篇。（標準 HD44780 的接法可參考這篇，至於程式碼呢…，嗯，就留給你當作業了）。
2. 把底下這個 Arduino Sketch 上傳到 Arduino 板子上:

安裝套件

在 Ubuntu 上，只要下個指令就可以安裝 lcdproc:

sudo apt-get install lcdproc

設定 /etc/LCDd.confg

接著編輯 /etc/LCDd.config，準備設定 LCD 的一些參數以及 Arduino 連接的 Serial Port (本例使用 /dev/USB0):

sudo vi /etc/LCDd.conf

首先把 Driver 設定成 hd44780（可以用 /Driver 尋找):

然後切到 [hd44780] 的區塊設定 LCD 的參數（可以用 /hd44780 尋找)：

要設定的主要是 ConnectionType, Device, Speed 和 Size 這幾個參數，其中 ConnectionType 必須設定成 lcdserializer, Device 要設定成你 Arduino 所用的 Serial Port，Speed 要設成 9600，而 Size 則設成根據你 LCD 的種類設定，例如 16x2。

啟動 lcdproc

設定好 /etc/LCDd.conf 後，現在便可以啟動 lcdproc 了:

sudo /etc/init.d/LCDd start            # 或 restart

然後 LCD 上應該會顯示類似下圖的資訊:

跟著下 lcdproc 指令執行 client 程式以顯示 CPU load, system load, 記憶使用狀況等資訊:

sudo lcdproc

示範影片:

你可能會有個疑問：「我可以決定 LCD 上要顯示的資訊嗎？」，答案是可以的。設定檔是  /etc/lcdproc.conf 這個檔案，底下截錄一段 /etc/lcdproc.conf 的內容，這段內容主要是設定 CPU 和 Ethernet 的資訊，假如你希望打開某個資訊，就把 Active 設成 True，不然就設成 false，這樣就行了：

參考資料

• LCDproc
• LCDproc User Guide
• USD LCD Display (HD44780) Running on Linux via Arduino
• LCDproc + Arduino  UNO + HD44780 = Garbage
• LCD Smartie for Arduino
• I2C 16x2LCD 介紹

VMWare: 使用 Host 的 Serial Port

要怎麼設定 VMware 讓 virtual machine 可以使用 host computer 的 serial port 呢？底下是設定的步驟，我用的是 Windows 系統，所以底下將以 Windows 的設定為例說明：

首先，先關閉 Virtual Machine，然後在 VMWare Player 選擇指定的 Virtual Machine 後 (例如 Ubuntu)，按右鍵點擊 "Virtual Machine Settings…":

按下 Add 鈕：

選擇 "Serial Port"，然後按下 Next 鈕：

選擇 "Use physical serial port on the host":

接著選擇 Physical Serial port (也就是實際存在的 Serial Port)：

按下 "Finish" 關閉設定畫面，然後重新啟動 Virtual Machine 就可以了。

Serial Port 的對應關係

設定好後，那麼 Serial Port 會對應到 Linux  /dev/ 底下的哪個 device 呢？簡單說明一下：VMware 對 Serial Port Mapping 的處理方式是這樣，假如你有 COM1 和 COM2 兩個 Serial Port，那麼 COM1 會對應成 /dev/ttyS0，而 COM2 則是 /dev/ttyS1。假如你有 COM1 和 COM7 兩個 Serial Port (假設 COM7 是 USB to Serial port)，那麼 COM1 一樣是 /dev/ttyS0，而 COM7 則會對應成 /dev/ttyS1。

Serial Port 測試

話說回來，我們用 Serial Port 要幹嘛？嗯...，你也許可以用 Serial Port 接 Modem，也許也可以用 Serial Port 接 Arduino 做一些監控的應用。假設你對 Arduino 有基本的了解，那麼可以照底下的方法測試 Serial Port 通不通：

1. 點選 VMware Player 選單的 "Removable Devices > Serial Port x > Disconnect" 先暫時停用 Virtual Machine 的 Serial Port:

2. 上傳 File > Examples > 01.Basics > AnalogReadSerial 到 Arduino 板子上

3. 點選 VMware Player 選單的 "Removable Devices > Serial Port x > Connect" 啟用 Virtual Machine 的 Serial Port

4. 執行 sudo cat /dev/ttySx (x 是你的 Serial Port number)

如下圖所示，假如一切順利，就會看到 Arduino 傳過來的 Analog 讀值囉！

 

參考資料

• Using a Serial Port on the Host Computer

I2C 16x2 LCD 介紹

(本文同步發表於 OSSLab)

這是 I2C 16x2 LCD:

 

標準 LCD 需要比較多的腳位，I2C LCD 可以減少腳位的使用，而且接線也比較簡單。這個 I2C LCD 的特性如下:

• 16x2 LCD，藍底白字，有背光
• 走 I2C 介面，設備地址為 0x27
• 可調整螢幕顯示對比
• 5V 供電，相容於 Arduino

接線辦法

參考上圖，接線方式為:

• SDA – 接 Arduino 的 Analog Pin 4 (Arduino Mega 為 Pin 20)
• SCL – 接 Arduino 的 Analog Pin 5 (Arduino Mega 為 Pin 21)
• GND – 接 GND
• VCC – 接 +5V

I2C LCD Library

• 16x2 LCD 請下載這個 library
• 16x4 LCD 請下載這個 library

範例程式

執行結果:

參考資料

• 淘寶 I2C 1602 LCD
• Adafruit I2C/SPI character LCD backpack

LCD Smartie for Arduino

這篇將說明如何用 Arduino 來製作一個 LCD Smartie 顯示設備。

什麼是 LCD Smartie?

LCD Smartie 是一個 Windows 的 open-source 軟體，可以用來在 LCD/VFD 上顯示 PC 的各種資訊。它可以顯示的資訊包括: CPU frequency, load 等, Winamp 狀態, 網路狀態 (傳輸速度, total bytes 等)，磁碟可用及剩餘空間，記憶體使用情形，Email 狀態以及 BBC World news (或任何 RSS feed) 等等。

軟硬體設定步驟

1. 連接 Arduino 及 LCD，標準 HD44780 的接法可參考這篇
2. 上傳這個 Arduino Sketch 到 Arduino 板子上 (PS: 記得調整 LCD 腳位定義)
3. 下載 LCD Smartie 應用程式

PS: 如果你用的是 I2C Serial LCD，請安裝 I2C 的 LiquidCrystalLCD library 並使用這個 Arduino Sketch。

LCD Smartie 設定

打開 LCD Smartie 後，有幾個地方要先設定:

首先是 Display settings 的 Plugin:

• Display Plugin: 選擇 matrix.dll
• Startup Parameters: 設定所用的 COM Port 及 baud rate，例如 COM5,9600

接著切到 Screen 頁面，LCD size 請選擇 2x16:

完成之後，就可以開始設定要在 LCD 上顯示的資訊，如下圖所示，先在左手邊 Tab 中選擇資訊分類 (Winamp, Sysinfo, Internet 等)，比如 Network Status，然後再從清單中挑選出要顯示的項目，並按下 Insert 鈕插入即可:

Screenshots

參考資料

• http://lcdsmartie.sourceforge.net/
• LCD Smartie Powered By Arduino Liquid Crystal Library
• Lab9 在 2x16 LCD 上顯示 "Hello World" 訊息