單片機教案27 課題10 超聲波傳感器的控制編程

教案課題課題10超聲波傳感器的控制編程課程單片機授課教師專業(yè)汽車課型新授教案序號27授課時間第十五周教學(xué)方法講授教學(xué)目標(biāo)1.了解超聲波傳感器的參數(shù)及工作原理；2.掌握硬件電路的接線；3.掌握程序的含義。教學(xué)重點難點及解決辦法掌握實現(xiàn)目標(biāo)功能的辦法通過PPT以及視頻演示的方法展示每條命令的具體含義，以及命令呈現(xiàn)的效果。作業(yè)布置抄寫軟件程序以及各個命令的含義教學(xué)后記學(xué)生聽課情況學(xué)生掌握情況存在的問題審查簽字年月日教學(xué)過程教師活動教學(xué)內(nèi)容學(xué)生活動組織教學(xué)詢問上節(jié)課掌握情況復(fù)習(xí)提問講授本節(jié)內(nèi)容總結(jié)布置作業(yè)清點人數(shù)記錄詢問上節(jié)課掌握情況溫度傳感器的接線方法是什么？倒車?yán)走_是汽車駐車或者倒車時的安全輔助裝置，能以聲音或者更為直觀的顯示告知駕駛員周圍障礙物的情況，解除駕駛員駐車，倒車和啟動車輛時前后左右探視所引起的困擾，并幫助駕駛員掃除視野死角和視線模糊的缺陷。而超聲波傳感器作為汽車重要的傳感器之一，是汽車倒車?yán)走_的重要組成部分。本次主要任務(wù)就是利用超聲波傳感器來制作一個簡易的聲音報警倒車?yán)走_模型。但是由于本節(jié)內(nèi)容涉及到較多新知識，因此在做倒車?yán)走_模型之前，我們先通過下面的程序及硬件來認(rèn)識一下超聲波傳感器。一、實驗用器件ArduinoUNO板及配套USB數(shù)據(jù)線：1套超聲波傳感器：1個面包板：1個跳線：若干二、硬件連接取出本實驗用到的所有元件后，按照下圖進行連接。完成連接后，給Arduino接上USB數(shù)據(jù)線，供電，準(zhǔn)備下載程序。三、輸入代碼打開ArduinoIDE，在編輯框中輸入下面的樣例代碼。//利用超聲波傳感器檢測與障礙物間的距離intTrigPin=7;//定義與觸發(fā)引腳相連的數(shù)字口7intEchoPin=6;//定義與回聲引腳相連的數(shù)字口6voidsetup(){pinMode(TrigPin,OUTPUT);//設(shè)置與觸發(fā)引腳相連的數(shù)字口為輸出模式pinMode(EchoPin,INPUT);//設(shè)置與回聲引腳相連的數(shù)字口為輸入模式Serial.begin(9600);//設(shè)置串口通信的波特率為9600bps}voidloop(){digitalWrite(TrigPin,LOW);//觸發(fā)引腳連接的數(shù)字口設(shè)置為低電平delayMicroseconds(10);//延時10微秒digitalWrite(TrigPin,HIGH);//觸發(fā)引腳連接的數(shù)字口設(shè)置為高電平delayMicroseconds(10);//延時10微秒digitalWrite(TrigPin,LOW);//觸發(fā)引腳連接的數(shù)字口設(shè)置為低電平intt=pulseIn(EchoPin,HIGH);//定義t等于回聲引腳連接的數(shù)字口讀取的脈沖高電平的寬度intjuli=t*17/1000;//定義juli等于t*17/1000的值Serial.print("juli=");//串口顯示juli=Serial.print(juli);//串口顯示juli的值Serial.println("cm");//串口顯示cm}輸入完畢后，點擊IDE的“校驗（Verify）”，查看輸入代碼是否通過編譯。如果顯示沒有錯誤，單擊“下載（UpLoad）”，給Arduino下載代碼。之后我們就可以通過移動障礙物，在串口監(jiān)視器里觀察到障礙物距離超聲波傳感器的實時距離了。四、代碼回顧本程序中涉及了兩個新的函數(shù)，首先來看一下涉及的第一個函數(shù)：delayMicroseconds()。該函數(shù)也是時間延遲函數(shù)，用法跟之前學(xué)過的delay()函數(shù)基本一樣，唯一不同的地方就是延遲的時間單位不同，delay()函數(shù)延遲的時間單位是毫秒（ms），而本節(jié)新學(xué)的函數(shù)delayMicroseconds()延遲的時間單位是微秒（us）。而毫秒與微秒之間的進制為1000，也即一毫秒內(nèi)有一千微秒，一秒內(nèi)有一百萬微秒。本程序中涉及的第二個新的函數(shù)是pulseIn(pin,value)，該函數(shù)用于檢測引腳輸出的高電平或者低電平的脈沖寬度，默認(rèn)單位是us。該函數(shù)的括號里包括兩個部分，即需要讀取脈沖的引腳pin，以及需要讀取的脈沖類型value（此部分寫HIGH或LOW）。而本程序則是讀取的回聲引腳的脈沖高電平的寬度。本程序計算出的距離單位為厘米(cm)，聲速為340m/s。所以程序中“juli”的計算方法如下：juli=[(t/1000000)*340/2]*100=t*17/1000五、硬件回顧1.超聲波測距模塊本節(jié)實驗所使用的超聲波傳感器是HC-SR04超聲波測距模塊，它可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可高達3mm；模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。像智能小車的測距以及轉(zhuǎn)向，或其他一些項目中，常常會用到。下圖為HC-SR04超聲波傳感器的實物圖片：其引腳從左到右分別為VCC（接5v電源），Trig脈沖觸發(fā)引腳（接數(shù)字口），Echo回聲引腳（接數(shù)字口），GND（接地）。

在使用該硬件時，我們需要先用Arduino的數(shù)字引腳給SR04的Trig引腳至少10μs的高電平信號，該信號是用來觸發(fā)SR04模塊測距功能的。觸發(fā)后，模塊會自動發(fā)送8個40KHz的超聲波脈沖，與此同時回聲引腳（Echo）端的電平會由0變?yōu)?；（此時應(yīng)該啟動定時器計時）當(dāng)超聲波返回被模塊接收到時，回聲引腳端的電平會由1變?yōu)?；（此時應(yīng)該停止定時器計數(shù)），定時器記下的這個時間即為超聲波由發(fā)射到返回的總時長。然后再根據(jù)聲音在空氣中的傳播速度為340米/秒，即可計算出所測的距離。下面即為時序圖：

從上面的時序圖中我們可以看到，先由觸發(fā)信號啟動HC-RS04測距模塊，即由觸發(fā)引腳發(fā)送至少10us的高電平，觸發(fā)HC-RS04。而模塊內(nèi)部發(fā)出的信號是傳感器自動回應(yīng)的，我們不用去管它。但回聲信號是我們需要關(guān)注的。信號輸出的高電平就是超聲波發(fā)出到返回接收所用的時間。我們通過函數(shù)pulseIn(pin,value)，就可以把這段時間記錄下來，算出距離，別忘了結(jié)果要除于2，因為總時間是發(fā)送和接收的時間總和。2.汽車上的超聲波距離傳感器倒車?yán)走_是由超聲波距離傳感器、控制器和顯示器或蜂鳴器等部分組成。倒車?yán)走_一般采用超聲波測距原理，即傳感器在控制器的控制下發(fā)射超聲波信號，當(dāng)遇到障礙物時，產(chǎn)生回波信號，傳感器接收到回波信號后，經(jīng)控制器進行數(shù)據(jù)處理，并判斷出障礙物的位置，顯示距離并發(fā)出其他警示信號，從而達到安全泊車的目的。超聲波距離傳感器就是利用超聲波的發(fā)射和接收原理進行距離測定的傳感器，也稱為超聲波換能器，俗稱“探頭”，主要用于倒車?yán)走_系統(tǒng)中車輛與障礙物之間距離的測量，或者在車距控制輔助系統(tǒng)中，用于測定后車與前車的跟車距離。倒車?yán)走_系統(tǒng)所使用的超聲波距離傳感器，有2個、3個、4個、6個、8個、及10個之分。具有2個、3個、4個探頭的倒車?yán)走_安裝在汽車的后保險杠上面，具有6個、8個探頭的倒車?yán)走_一般安裝為前2后4和前4后4。通常來說，探頭數(shù)量決定了倒車?yán)走_的探測覆蓋能力，探頭多能減少探測盲區(qū)。6個以上探頭的倒車?yán)走_在倒車時，還可探測前左、右角與障礙物的距離。目前常用的頻率有40Hz、48Hz、58Hz，選擇不同的頻率以滿足不同車型的需要。（1）測距原理超聲波測距是通過不斷檢測超聲波發(fā)射后遇到障礙物所反射的回波，由單片機實時檢測出超聲波傳播所用的時間△T。利用超聲波在同種介質(zhì)中傳播速度不變的性質(zhì)，在聲速v已知的條件下，得到障礙物與傳感器之間的距離S=ATv/2式中，v為超聲波波速，常溫下取為344m／s；AT為自發(fā)射出超聲波到接收到反射回波的時間差。（2）傳感器工作原理由物理學(xué)可知，將兩個壓電元件（或一個壓電元件和一個金屬板）粘合在起成為壓電片。當(dāng)超聲波照射到壓電晶體上時，壓電晶體產(chǎn)生振動，并產(chǎn)生壓電信號；同理，當(dāng)有電信號輸入到壓電晶體上時，壓電晶體產(chǎn)生超聲波。超聲波距離傳感器就是根據(jù)這一原理設(shè)計的測量距離的檢測裝置。超聲波探頭利用壓電陶瓷（主要材料GaAs砷化鎵和SiGe硅鍺），作為換能器件實現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收。給探頭壓電陶瓷片施加一定的超音頻電信號，壓電陶瓷片將電能轉(zhuǎn)換成聲能發(fā)送出超聲波。超聲波遇到障礙物皺反射后作用于探頭壓電陶瓷片，壓電陶瓷片將聲能再轉(zhuǎn)換成電信號，微弱的電信號經(jīng)放大后送ECU處理。按照接收和發(fā)送信號的傳感器的組合情況，可以將其檢測方式分為直接檢測方式和間接檢測方式。直接檢測方式是指用一個傳感器發(fā)送并接收信號的檢測距離的方式，即使用發(fā)射/接收一體式車距傳感器；間接檢測方式是指用兩個傳感器，一個發(fā)送信號，另一個接收信號的檢測方式?，F(xiàn)在以使用直接檢測方式為主。（3）某轎車駐車輔助系統(tǒng)的工作原理駐車輔助系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)及工作原理，如圖所示，后保險杠上安裝4個超聲波距離傳感器，并在前保險杠或散熱器格柵上安裝了4個超聲波距離傳感器。駐車輔助控制單元J446通過前、后保險杠內(nèi)的超聲波距離傳感器監(jiān)控車輛周圍的環(huán)境。通過汽車內(nèi)部的兩個警告蜂鳴器來進行聲音間距的警示。駐車輔助按鈕位于變速桿右側(cè)，按下該按鈕或掛倒擋，駐車輔助功能被激活。再次按下該按鈕或當(dāng)車速大于15km/h時，該功能終止。駐車輔助起作用時，LED燈為黃色，若有故障，則該燈閃爍。在打開點火開關(guān)以后進行自檢，在1s后關(guān)閉自檢。如果駐車輔助系統(tǒng)已待命，則信號聲會短促響起，功能指示燈亮起。如果發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)故障，就會響起一個持續(xù)5s的信號聲，駐車輔助系統(tǒng)的功能指示燈閃爍。在正常情況下進行測距時，警報音之間的暫停間隔時間隨著距離逐漸減小而成比例縮短。測量不超過30cm的距離時，警報音變?yōu)檫B續(xù)音。六、進階實驗上個實驗中，我們學(xué)會了如何利用超聲波傳感器來檢測與障礙物間的距離，下面我們就在上面實驗的基礎(chǔ)上，來制作一個簡易的聲音報警倒車?yán)走_模型。1、實驗用器件ArduinoUNO板及配套USB數(shù)據(jù)線：1套超聲波傳感器：1個蜂鳴器：一個面包板：1個跳線：若干杜邦線：2條2、硬件連接取出本實驗用到的所有元件后，按照下圖進行連接。本實驗的硬件連接就是在上一個實驗的基礎(chǔ)上加上了蜂鳴器的連接。完成連接后，給Arduino接上USB數(shù)據(jù)線，供電，準(zhǔn)備下載程序。3、輸入代碼打開ArduinoIDE，在編輯框中輸入下面的樣例代碼。//簡易聲音報警倒車?yán)走_模型intTrigPin=7;//定義與觸發(fā)引腳相連的數(shù)字口7intEchoPin=6;//定義與回聲引腳相連的數(shù)字口6intbuzzer=13;//定義與蜂鳴器相連的數(shù)字口13voidsetup(){pinMode(TrigPin,OUTPUT);//設(shè)置與觸發(fā)引腳相連的數(shù)字口為輸出模式pinMode(EchoPin,INPUT);//設(shè)置與回聲引腳相連的數(shù)字口為輸入模式pinMode(buzzer,OUTPUT);//設(shè)置與蜂鳴器相連的數(shù)字口為輸出模式Serial.begin(9600);//設(shè)置串口通信的波特率為9600bps}voidloop(){digitalWrite(TrigPin,LOW);//觸發(fā)引腳連接的數(shù)字口設(shè)置為低電平delayMicroseconds(10);//延時10微秒digitalWrite(TrigPin,HIGH);//觸發(fā)引腳連接的數(shù)字口設(shè)置為高電平delayMicroseconds(10);//延時10微秒digitalWrite(TrigPin,LOW);//觸發(fā)引腳連接的數(shù)字口設(shè)置為低電平intt=pulseIn(EchoPin,HIGH);//定義t等于回聲引腳連接的數(shù)字口讀取的脈沖高電平的寬度intjuli=t*17/1000;//定義juli等于t*17/1000的值Serial.print("juli=");//串口顯示juli=Serial.print(juli);//串口顯示juli的值Serial.println("cm");//串口顯示cmif(juli<15)//如果障礙物距離超聲波傳感器的距離小于15cm，則執(zhí)行下面大括號里面的語句{tone(buzzer,1000);//蜂鳴器以1000的頻率發(fā)出聲響delay(100);//延時100毫秒noTone(buzzer);//蜂鳴器停止發(fā)出響聲delay(7*juli);//延時時間為7*juli毫秒