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