多途径实现“超声波测距警示灯”

牟东

汽车倒车雷达系统可以根据汽车尾部与障碍物之间的距离发出警报。距离越小，蜂鸣器的“滴滴答答”鸣响频率越高。同样，我们可以借助Arduino开发板做一个小型的“超声波警示灯”系统，利用超声波传感器检测并显示与障碍物的距离，可以根据不同的距离值控制不同颜色的led发光:距离远，非常安全，绿灯；缩小距离，在警戒范围内，开黄灯；接近预警临界点，危险，红灯亮了。1.实验设备和电路连接

设备:Arduino UNO主板一块，HC-SR04超声波传感器一块，绿黄红LED灯一块，面包板一块，各种颜色的Du-Bang线若干。

首先通过杜邦线将Arduino的5V电源和GND的正极连接到面包板上；HC-SR04超声波传感器有四个管脚，其中VCC和GND分别插入面包板的正极和负极，Trig信号发射管脚和回波信号接收管脚分别插入Arduino的2号和3号数字管脚；绿色、黄色和红色发光二极管的长腿(阳极)分别通过面包板连接到Arduino的4号、7号和8号数字引脚，短腿(阴极)连接到GND；最后，通过数据线将Arduino与电脑的USB接口连接起来(如图1)。2.Arduino IDE代码编程实现“超声波测距警示灯”

在Arduino IDE中，首先定义变量，与超声波传感器相关的语句包括“int trig pin = 2；”" int echo pin = 3；"和“浮动距离”，前两个分别声明其信号发射和接收引脚为2号和3号数字引脚，定义的浮点变量distance d用于存储超声波传感器测得的距离值；然后定义三个整形变量:“int GreenLED = 4；”" int yellow led = 7；"和“int red led = 8；”，分别对应绿色、黄色和红色led的三个数字引脚(4号、7号和8号)。

在setup()函数中，首先传递语句“serial . begin(9600)；”设置串口监视器的波特率，以实时显示超声波传感器监测到的距离数据；然后有五个pinMode()引脚模式设置语句，将除超声波传感器EchoPin外的TrigPin和三个LED灯(GreenLED，YellowLED，RedLED)设置为输出模式(如图2)。

在loop()函数中，首先要控制超声波传感器的发射器触发信号，即要使用“低-高-低”的短脉冲:语句“digitalWrite(TrigPin，LOW)；”和“延迟微秒(20)；”它的作用是控制发射机保持低电平20微秒；然后传递语句“digitalWrite(TrigPin，HIGH)；”和“延迟微秒(20)；”控制发射机再保持高电平20微秒(即触发20微秒的高脉冲)；最后一个语句“digitalWrite(TrigPin，低电平)；”是控制发射机再次处于低电平状态。

然后，给存储距离值的变量distance赋值:“distance=pulseIn(EchoPin，HIGH) * 340/2/

10000;“，计算方法是借助pulse in()-此时要特别注意它的单位“微秒”(空气体中的声速计算为340m/s)，“米与厘米”、“秒与微秒”之间有单位换算(相当于“除以10000”)；而且超声波传感器监测到的距离值是“超声波从发射端发出，向前运动碰到障碍物，再返回接收端”的往返值(除以2)，所以表达式中“pulseIn(EchoPin，HIGH)”的值要计算“*340/2/10000”。然后在串口监视器中输出一行提示信息，语句为“Serial.print("距离障碍物的距离为:")；" ;然后传“Serial.print(距离)；”和“serial . print(“cm”)；"两行语句，在同一行显示距离变量和单位(" cm ")；以及下面的语句“serial . println()；”，用于输出一个“换行符”(相当于“回车”操作)。

接下来要构造一个“if…else if…else…”三分支选择结构，判断可变距离的范围:如果距离大于30cm(“距离> = 30.00”)，执行语句“digitalWrite(GreenLED，HIGH)；”，控制绿色LED灯发光；如果距离在15厘米和30厘米之间(“距离= 15.00”)，执行“数字写入(黄色LED，高)；”，控制黄色LED灯发光；否则-相当于距离小于15cm(“距离< 15.00”)，执行语句“digitalWrite(红色，高)；”，控制红色LED灯发光。

最后，添加一个“延迟(500)；”语句，用于控制每个周期500毫秒的延迟；而三个digitalWrite()语句将低电平写入三个LED连接引脚，用于关闭所有LED灯，从而为下一个周期的正确响应做好初始化准备(如图3所示)。

将程序保存、编译、上传到Arduino，测试“超声波测距警示灯”(注意要点击打开右上角的“串口监控”项):将超声波传感器与障碍物的距离分别控制在30厘米以外、15厘米到30厘米之间、15厘米以内，发现绿色、黄色、红色LED灯会根据不同的安全距离发光；同时，串行监视器中每隔0.5秒就会显示一条类似“距离障碍物32.00cm”的提示信息(如图4所示)。3.Python代码编程实现“超声波测距警示灯”

在PythonIDLE编程环境中，先导入time和Pinpong库:“导入time”，“从pinpong.board导入board，pin，SR04_URM10”，注意“SR04_URM10”对应的是HC-SR04超声波传感器的“调用”；然后，声明“董事会(“uno”)。begin()”仍然用于完成Arduino uno板的初始化。

设置两个变量trigger _ pin和ECHO_PIN，通过两句话“trigger _ pin = pin (pin.d2)”和“ECHO _ PIN = PIN(PIN . D2)”声明超声波传感器的连接管脚为D2和D3(超声波传感器的trigger和ECHO管脚分别插入Arduino的2号和3号数字管脚)。D3)”。添加语句“sonar = sr04 _ urm10 (trigger _ pin，ECHO_PIN)”来初始化超声波传感器。然后，设置三个LED灯:“GreenLED = Pin(Pin。D4，平。OUT)"，" YellowLED = Pin(引脚。D7，引脚。OUT)”和“RedLED = Pin(引脚。D8，引脚。OUT)”，包括插的数字引脚分别是4号、7号和8号。

建立一个“while True:”循环结构，将读取的超声波传感器的距离数据存入变量distance:“distance = sonar . distance _ cm()”(单位为cm)，通过print()函数将数值打印在屏幕上:“print("与障碍物之间的距离为:{0: .2f} cm”)格式，然后建立一个“if…elif…else…”的三分支选择结构，通过判断变量distance的值来控制不同颜色的led灯的发光(对相应LED灯的数字引脚写一个高电平“1”)；最后加入“time.sleep(0.5)”的延时语句，将低电平“0”写入所有三个LED灯的数字引脚，完成“熄灯”操作。

保存程序，按功能键F5运行程序，测试“超声波测距警示灯”。屏幕会显示检测到的距离值，同时相应颜色的LED灯会亮起(如图5)。4.通过思维+图形化编程实现“超声波测距警示灯”。

运行Mind+进入图形化编程界面。首先点击左下角的“扩展”项，加载Arduino Uno主控板和超声波测距传感器；然后，建立变量“超声波测距”，并将其指定为“读取超声波传感器距离”。注意将模块中的Trigger和echo引脚分别设置为2号和3号；然后用“设置串行波特率”和“串行串输出”四句话，完成在屏幕上打印输出变量“超声波测距”的功能。然后建立三分支选择结构，根据超声波测距的数值控制相应颜色的LED灯发光；最后延时0.5秒，所有LED灯熄灭。

点击“上传到设备”项，出现“上传成功”提示后，再次测试Arduino的“超声波测距警示灯”:右下角出现提示信息“距离障碍物距离:93.00cm”，同时相应颜色的LED灯会亮起。效果和使用代码编程是一样的(图6)。