Arduino项目式编程教学第四章——超声波测距

文章目录
一、超声波测距原理
二、HCSR04超声波传感器的使用
三、LCD1602液晶显示屏的使用
四、完成超声波测距

硬件清单

一、超声波测距原理

我们所使用的超声波传感器型号为HCSR04，可观察到他有两个“眼睛”状的部件，两个部件的作用一样，均可发射和接收超声波，并且按照上述原理图进行工作。
首先传感器发射超声波，并计时，当超声波接触到障碍物会被反射，当传感器接收到反射波，计时结束，然后利用距离、速度、时间公示进行计算，得到传感器到障碍物间的距离。
其具体工作原理简单了解即可，并不影响后述对超声波传感器的使用。

因此HCSR04超声波传感器的四个引脚的作用就比较明显了，除了VCC接正极、GND接负极外，还有两个引脚“Trig”及“Echo”，其中“Trig”用于控制发射超声波，“Echo”用于接收反射波，所以“Trig”所接引脚应为输出，“Echo”所接引脚应为输入，因此在后续接线时可以把两个引脚分别接到两个数字端口，在端口初始化时分别设置输入和输出即可。

二、HCSR04超声波传感器的使用

接下来将HCSR04超声波传感器与Arduino进行连接，除了VCC及GND分别接正负极外，这里“Trig”与数字端口D5连接，“Echo”与数字端口D4连接，如下图所示：

并且确定安装的库文件是否一致，不同的开发者贡献的库文件不同，调用方法的名称也就不同，因此如果与本文按装的库文件不同的话，大概率会报错，建议安装与下图一致的库文件。

将超声波传感器与Arduino板连接之后，继续完成以下程序：

//此程序功能为将SR04超声波传感器测的的距离数值，通过串口进行输出

#include<HCSR04.h>  //导入超声波SR04库
HCSR04 ultrasonic(5,4);  //声明一个对象，其名为ultrasonic（自定义的名称）
                      //4号为“Echo”，5号为“Trig”

void setup()
{
	pinMode(4, INPUT);  //设置“Echo”接入的引脚为输入
	pinMode(5, OUTPUT);  //设置“Trig”接入的引脚为输出
	Serial.begin(9600);  //串口监视器初始化
}

int distance;  //定义一个名为“distance”的变量，用于存放检测的距离数值

void loop()
{
	distance = ultrasonic.dist();  //调用了超声波库里的“dist()”方法，获得检测距离数值
	Serial.print(distance);  //输出distance数值，且不换行
	Serial.println(" cm");  //紧接着输出单位，且换行
}

将程序上传之前先对以上程序的部分代码块进行解释：
1.“HCSR04 ultrasonic(4, 5)”我们称之为对象的实例化，即HCSR04为超声波库的名称，在其后自定义一个名称“ultrasonic”（即超声波的英文，可自定义任意名称），并且不同的实例化过程有不同的参数要输入，比如HCSR04后需要加入“Trig”和“Echo”所接引脚的端口号，从而在后述程序中，如果要调用HCSR04库内的方法的话，仅需使用“ultrasonic.方法名()”，即可。
2.“distance = ultrasonic.dist()”这一代码块是调用了超声波传感器中获取距离的方法“dist()”，与前面int定义的distance截然不同，int定义的变量可取任意名称，仅为变量名，但“Distance()”为超声波传感器固定的方法。
接下来将上述程序上传至Arduino板，并且打开串口监视器，观测所测的数值是否准确。

另外HCSR04型号的超声波传感器的测量范围官方声称为2cm ～ 450cm，因此超出这个范围的数值会不准确。

三、LCD1602液晶显示屏的使用

首先观察LCD1602显示屏的正反面（其中反面为实物图），当前LCD显示屏的驱动板（即黑色的电路板）上共6个引脚，左侧两个相邻的引脚直接连接即可，连接后便打开了背光；右侧的引脚“GND接负极”“VCC接正极”已经比较熟悉了，对于“SDA”及“SCL”引脚，我们先对此进行详细介绍。

1.Arduino上的I2C通信协议

I2C总线是由Philips公司开发的一种简单、双向二线制同步串行总线。它只需要两根线即可在连接于总线上的器件之间传送信息。
每种不同的硬件都有不同的I2C地址，因此对于I2C通信的工作原理我们可以理解为：SCL（时钟线）用于规定当前时刻是否要传输数据，就如同红绿信号灯的作用，防止数据传输混乱；SDA（数据线）用于在给定时间内给不同地址的硬件传输数据，并且双向传输。当前我们仅需了解不同硬件的I2C地址即可轻松使用I2C通信。

2.使用LCD1602液晶显示屏显示“Hello World!”字符

在Arduino拓展板的复位键旁边设有专门的I2C引脚，可直接对应连接，当然也可以“SDA - A4”“SCL - A5”的线序连接。
连接好之后观察屏幕，在未写入程序之前，LCD显示屏的第一行应该是可以显示16个小方块的，如果未显示，则使用十字螺丝刀来拧动显示屏背板蓝色的旋钮，直到小方块清晰可见。这也就是为什么LCD1602显示屏标有“1602”——此显示屏可显示16列2行字符（英文）。
本章使用的LCD显示屏为I2C通信，因此使用的库文件也需要对应，可看下图使用的库文件：

接下来完成下列程序：

//此程序功能为使用LCD1602输出“Hello World!”字符

#include <Wire.h>  //导入I2C通信库
#include <LiquidCrystal_I2C.h>  //导入LCD显示屏库

LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);  //实例化一个名为“lcd”的对象，并且内部有三个参数
                                   //分别为（I2C通信地址，显示列数，显示行数）

void setup()
{
  lcd.init();  //显示屏初始化
  lcd.backlight();  //开启显示屏背光
  lcd.setCursor(0,0);  //设置显示光标位置（列，行）
  lcd.print("Hello, world!");  //显示字符
  lcd.setCursor(0,1);  //在第一列，第二行开始显示
  lcd.print("Successful!");  //显示字符
}

void loop()
{
}

将以上程序上传，并观察是否显示了两行字符，分别是“Hello, world!”及“Successful!”；接下来对部分代码块进行解释：
1.“#include <Wire.h>”为导入I2C通信库。
2.“#include <LiquidCrystal_I2C.h>”为导入本程序使用的基于I2C通信协议的LCD显示屏库。
3.“LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2)”为实例化了一个名为“lcd”的对象，并规定了LCD的I2C地址“0x27”，以及显示屏显示的列行数。
其他的代码作用均已在程序中进行了注释解释，则不再赘述。

四、完成超声波测距

按照上图将“SR04超声波传感器”及“LCD1602显示屏”与Arduino板进行连接；“Trig”与数字端口D5连接，“Echo”与数字端口D4连接，LCD显示屏的引脚连接到IIC区域；然后完成以下程序：

//此程序功能为将超声波传感器测得的数值使用LCD进行显示
//并且在2cm-450cm内正常显示，超出范围则输出错误提示

#include<HCSR04.h>  //导入超声波SR04库
#include<Wire.h>  //导入I2C通信库
#include<LiquidCrystal_I2C.h>  //导入LCD显示屏库

LiquidCrystal_I2C  lcd(0x27,16,2);  //声明使用LCD库的对象
HCSR04 ultrasonic(5,4);  //声明一个对象，其名为ultrasonic（自定义的名称）
                      //4号为“Echo”，5号为“Trig”

void setup()      
{
  lcd.init();  //显示屏初始化
  lcd.backlight();  //开启LCD显示屏背光
  pinMode(4,INPUT); //Echo引脚
  pinMode(5,OUTPUT); //Trig引脚
}

int distance;  //定义一个变量用于存储超声波测量的数值

void loop()
{
  distance = ultrasonic.dist();  //将超声波测得的数值赋值给变量
  if(distance >= 2 && distance <= 450)  //判断测得数值是否在测量范围内
  {
    lcd.setCursor(0,0);  //设置LCD显示光标位置
    lcd.print(distance);  //使用LCD显示屏显示distance的数值
    lcd.print(" cm");  //显示单位“cm”
    delay(200);  //延时200毫秒
    lcd.clear();  //LCD显示屏清屏，用于显示下一个数值
  }
  else  //如果超出范围
  {
    lcd.print("Wrong!");  //输出“Wrong！”
    delay(200);
    lcd.clear();
  }
}

上述程序是对超声波传感器及LCD显示屏的综合应用，并且使用了“if判断”，其代码块的作用均已标柱到代码区域，不再详细解释。
将上述代码进行上传，并测试是否可实现超声波测距功能。

五、总结

本章使用SR04超声波传感器结合LCD液晶显示屏来实现了超声波测距的功能；并且对于超声波传感器及显示屏都需要调用相应的库文件进行控制，这里需要注意的是一定要使用正确的库文件，因为各类硬件的库文件均来自于不同的开发者，不同的开发者贡献的库会存在库文件名称及方法名不同的情况，当然理论上不同的库文件都能实现对硬件的控制，所以最好使用与本文相同的库文件。完成本章的超声波测距功能之后，不妨联想汽车的倒车雷达原理，其功能也是可以通过Arduino平台来实现的，后续还会带来更多硬件的使用方法及组合成完整功能的教学。