基礎教程10 Arduino 超聲波測距

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我是潘，曾經是個工程師。這是為 http://Ardui.Co 製作的 「Arduino 公開課」 系列的入門教程。上一課介紹了溫濕度模塊和庫的使用，現在我們用超聲波模塊測量距離。有任何疑問請在評論區提出，我會逐一回答。

超聲波測距的原理是發射聲波，聲波遇到物體反射，模塊接收，得出時間差，然後根據聲速計算出物體距離。其應用非常之廣，如現場測距，無人機避障、汽車雷達等，而且價格極為低廉，庫成熟，是最常用的模塊。這次我們介紹的是 HC-SR04、HC-SR05：

該模塊一共有Vcc、GND、Trig 和 Echo，4個引腳。Arduino 通過 Trig 引腳給模塊，不少於10us 數字信號（高電平），觸發模塊發射出 40KHz 的超聲波，接收到返回聲波後，Echo 輸出高電平，根據觸發和輸出的時間差，就可以換算出距離。但我們不需要設計換算程序，因為這個模塊有現成的庫可以用，調用庫里的方法即可。模塊參數如下：

測量距離：2 ~ 450cm

測量角度：15deg

該模塊實際測量距離約為 200cm，而且經常會有嚴重的漂移現象，因此建議多次採樣，使用中位數，可以保證測量正確。

接線方式很簡單：

開發程序之前，我們需要先下載 NewPing.h 庫，這個庫不在官方的索引裡面，因此需要先下載：NewPing_v1.8

下載後不要急著解壓，在 IDE 界面頂部菜單，選擇「項目」中的「載入庫」，然後點擊 「添加一個.zip庫」 即可載入。我們在編寫程序前，同樣「載入庫」中，選擇插入需要的庫函數，IDE就會自動插入：

/* 作者：Ardui.Co 效果：超聲波測距 版本：1.0 更新時間：2017年2月14日*/#include <NewPing.h>#define TRIGGER_PIN 12 // 宏定義12號數字埠為觸發#define ECHO_PIN 11 // 宏定義11號數字埠為接收模塊反饋信號#define MAX_DISTANCE 200 //宏定義模塊的最大測量距離，規格標450cm，但實測一般為200cmNewPing sonar(TRIGGER_PIN, ECHO_PIN, MAX_DISTANCE); //聲明模塊的參數void setup() { Serial.begin(115200); // 設置串口的波特率，可以改為9600}void loop() { delay(500); // 每次測量的時間間隔，模塊規格為40Hz，因此最小為25ms，但一般不少於30ms Serial.print("Ping: "); Serial.print(sonar.ping_cm()); // 調用庫裡面的 ping_cm() 方法，直接輸出距離 Serial.println("cm");}

上面是常規的接線方式，但 NewPing.h 是個非常強大的庫，為節省 Arduino 埠，我們還可以將 Trig 和 Echo 接在一起，只用一條數據引線傳輸兩種信號，只要簡單修改下程序：

/* 作者：Ardui.Co 效果：超聲波測距模塊，使用單線連接 版本：1.0 更新時間：2017年1月13日*/#include <NewPing.h>#define PING_PIN 12 // 宏定義12號數字埠為觸發和接收埠#define MAX_DISTANCE 200 //宏定義模塊的最大測量距離，規格標450cm，但實測一般為200cmNewPing sonar(PING_PIN, PING_PIN, MAX_DISTANCE); //聲明模塊的參數，注意Trig和Echo都是同一個埠void setup() { Serial.begin(115200); // 設置串口的波特率}void loop() { delay(500); // 每次測量的時間間隔，模塊規格為40Hz，因此最小為25ms，但一般不少於30ms Serial.print("Ping: "); Serial.print(sonar.ping_cm()); // 調用庫裡面的 ping_cm() 方法，直接輸出距離 Serial.println("cm");}

如果測量距離超出了限定範圍200cm，程序會怎麼處理？答案是輸出 0。

由於超聲波測量容易受到環境因素影響，模塊漂移幾率較大，我們可以多次採樣，然後取中位數（思考一下：為什麼不是平均值？）避免忽大忽小的問題，NewPing.h 已經提供了 ping_median() 方法，但輸出的是時間（毫秒），所以我們還要用到一個轉換方法：

/* 作者：Ardui.Co 效果：超聲波測距模塊，使用單線連接 版本：1.0 更新時間：2017年1月13日*/#include <NewPing.h>#define PING_PIN 12 // 宏定義12號數字埠為觸發和接收埠#define MAX_DISTANCE 200 //宏定義模塊的最大測量距離，規格標450cm，但實測一般為200cmNewPing sonar(PING_PIN, PING_PIN, MAX_DISTANCE); //聲明模塊的參數，注意Trig和Echo都是同一個埠void setup() { Serial.begin(115200); // 設置串口的波特率}void loop() { delay(500); // 每次測量的時間間隔，模塊規格為40Hz，因此最小為25ms，但一般不少於30ms Serial.print("Ping: "); int t = sonar.ping_median(5, 200);//測量5次並設定最大距離為200cm，然後取中位數輸出 Serial.print(sonar.convert_cm(t)); // 使用convert_cm()方法，將時間轉換為距離 Serial.println("cm");}

NewPing.h 還提供了程序中斷、積累計時等方法，在挑戰篇中我們會用到。另外，閱讀官方文檔也是一個重要的學習途徑：https://bitbucket.org/teckel12/arduino-new-ping/wiki/Home