Raspberry Pi 4B超聲波距離測(cè)量和顯示

描述

介紹

HC-SR04 超聲波傳感器

關(guān)于超聲波距離傳感器

聲音由通過(guò)介質(zhì)（例如空氣）的振蕩波組成，音高由這些波彼此的接近程度決定，定義為頻率。只有一些聲譜（聲波頻率范圍）是人耳可以聽(tīng)到的，定義為“聲學(xué)”范圍。低于聲學(xué)的極低頻聲音被定義為“次聲”，高于聲學(xué)的高頻聲音被稱(chēng)為“超聲波”。

超聲波傳感器旨在使用類(lèi)似于雷達(dá)的超聲波反射來(lái)感知物體的接近度或范圍，以計(jì)算在傳感器和固體物體之間反射超聲波所需的時(shí)間。主要使用超聲波，因?yàn)樗鼘?duì)人耳是聽(tīng)不見(jiàn)的，并且在短距離內(nèi)相對(duì)準(zhǔn)確。你當(dāng)然可以為此目的使用聲學(xué)聲音，但你會(huì)有一個(gè)嘈雜的機(jī)器人，每隔幾秒鐘就會(huì)發(fā)出嗶嗶聲......

一個(gè)基本的超聲波傳感器由一個(gè)或多個(gè)超聲波發(fā)射器（基本上是揚(yáng)聲器）、一個(gè)接收器和一個(gè)控制電路組成。發(fā)射器發(fā)出高頻超聲波，從附近的任何固體物體上反彈。一些超聲波噪聲被傳感器上的接收器反射和檢測(cè)到。該返回信號(hào)然后由控制電路處理，以計(jì)算發(fā)送和接收信號(hào)之間的時(shí)間差。隨后可以使用這個(gè)時(shí)間以及一些巧妙的數(shù)學(xué)計(jì)算來(lái)計(jì)算傳感器和反射物體之間的距離。

我們將在本教程中為 Raspberry Pi 使用的 HC-SR04 超聲波傳感器有四個(gè)引腳：接地 (GND)、回波脈沖輸出 (ECHO)、觸發(fā)脈沖輸入 (TRIG) 和 5V 電源 (Vcc)。我們使用 Vcc 為模塊供電，使用 GND 將其接地，并使用我們的 Raspberry Pi 向 TRIG 發(fā)送輸入信號(hào)，從而觸發(fā)傳感器發(fā)送超聲波脈沖。脈沖波從附近的任何物體上反彈，一些被反射回傳感器。傳感器檢測(cè)這些返回波并測(cè)量觸發(fā)和返回脈沖之間的時(shí)間，然后在 ECHO 引腳上發(fā)送一個(gè) 5V 信號(hào)。

ECHO 將是“低”（0V），直到傳感器在接收到回波脈沖時(shí)被觸發(fā)。一旦找到返回脈沖，ECHO 在該脈沖的持續(xù)時(shí)間內(nèi)設(shè)置為“高”（5V）。脈沖持續(xù)時(shí)間是傳感器輸出超聲波脈沖與傳感器接收器檢測(cè)到返回脈沖之間的完整時(shí)間。因此，我們的 Python 腳本必須測(cè)量脈沖持續(xù)時(shí)間，然后計(jì)算距離。

重要的。HC-SR04 上的傳感器輸出信號(hào) (ECHO) 額定電壓為 5V。但是，Raspberry Pi GPIO 上的輸入引腳額定電壓為 3.3V。將 5V 信號(hào)發(fā)送到未受保護(hù)的 3.3V 輸入端口可能會(huì)損壞您的 GPIO 引腳，這是我們要避免的事情！我們需要使用一個(gè)由兩個(gè)電阻組成的小型分壓器電路，將傳感器輸出電壓降低到我們的 Raspberry Pi 可以處理的電壓。

分壓器

分壓器由兩個(gè)串聯(lián)的電阻器（R1 和 R2）組成，輸入電壓 (Vin) 需要降低到我們的輸出電壓 (Vout)。在我們的電路中，Vin 將是 ECHO，需要從 5V 降低到我們的 3.3V Vout。

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以下電路和簡(jiǎn)單的公式可應(yīng)用于需要降低電壓的許多應(yīng)用。如果您不想學(xué)習(xí)技術(shù)含量，只需抓住 1 x 1kΩ 和 1 x 2kΩ 電阻即可。

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無(wú)需深入到數(shù)學(xué)方面，我們實(shí)際上只需要計(jì)算一個(gè)電阻值，因?yàn)榉謮罕群苤匾?/font>我們知道我們的輸入電壓（5V）和我們需要的輸出電壓（3.3V），我們可以使用任何電阻組合來(lái)實(shí)現(xiàn)降低。我碰巧有一堆額外的 1kΩ 電阻，所以我決定在電路中使用其中一個(gè)作為 R1。

插入我們的值，這將是以下內(nèi)容：

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所以，我們將使用一個(gè) 1kΩ 的 R1 和一個(gè) 2kΩ 的電阻作為 R2！

組裝電路

在項(xiàng)目的這一部分，我們將在 Raspberry Pi 上使用四個(gè)引腳：

GPIO 5V [引腳 4] 用于 Vcc（5V 電源）

• GPIO 5V [引腳 4] 用于 Vcc（5V 電源）

GPIO GND [引腳 6] 用于 GND（0V 接地）

• GPIO GND [引腳 6] 用于 GND（0V 接地）

GPIO 3 [Pin 5] 用于 TRIG（GPIO 輸出）

• GPIO 3 [Pin 5] 用于 TRIG（GPIO 輸出）

GPIO 2 [Pin 3] 用于 ECHO（GPIO 輸入）

• GPIO 2 [Pin 3] 用于 ECHO（GPIO 輸入）

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1. 將四根公對(duì)母跳線插入 HC-SR04 上的引腳，如下所示：紅色；VCC，藍(lán)色；觸發(fā)，黃色；回聲和黑色；接地。

2. 將 Vcc 插入面包板的正極軌，將 GND 插入負(fù)極軌。

3. 將 GPIO 5V [Pin 4] 插入正極軌，將 GPIO GND [Pin 6] 插入負(fù)極軌。

4. 將 TRIG 插入空白導(dǎo)軌，然后將該導(dǎo)軌插入 GPIO 2 [Pin 3]。（如果需要，可以將 TRIG 直接插入 GPIO 2）。我個(gè)人只是喜歡在面包板上做所有事情！

5. 將 ECHO 插入空白軌，使用 R1（1kΩ 電阻）連接另一個(gè)空白軌

6. 使用 R2（2kΩ 電阻）將 R1 導(dǎo)軌與 GND 導(dǎo)軌連接起來(lái)。在兩個(gè)電阻之間留出空間。

7. 使用 R1（1kΩ 電阻）將 GPIO 3 [Pin 5] 添加到導(dǎo)軌。此 GPIO 引腳需要位于 R1 和 R2 之間。

LED燈條

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條形圖顯示

這個(gè)顯示器真是個(gè)好主意。有很多項(xiàng)目，您可能需要一排 LED 來(lái)顯示讀數(shù) - 溫度、聲音、濕度、未讀電子郵件、距離下一個(gè)事件的時(shí)間等。雖然連接一排 LED 非常好，但這些小顯示器可以為您提供項(xiàng)目看起來(lái)很酷的“復(fù)古太空電影控制面板”。

它們使用與 10 個(gè) LED 完全相同數(shù)量的引腳，因此在連接方面沒(méi)有任何節(jié)省，但是它們?cè)诿姘迳鲜褂玫目臻g要少一些，因?yàn)?LED 需要為它們的大頭留出空間。

接線

連接這些顯示器之一與連接 10 個(gè)單獨(dú)的 LED 相同。一側(cè)有一排 10 個(gè)正極（陽(yáng)極）連接（通常是 LED 上較長(zhǎng)的腿），另一側(cè)是負(fù)極接地連接（陰極）。每個(gè)陽(yáng)極引腳連接到一個(gè) GPIO 引腳，每個(gè)陰極引腳連接到一個(gè)電阻器，然后連接到 Pi 的接地引腳。

這些顯示器具有相同長(zhǎng)度的腿，但您可以分辨哪一側(cè)有陰極/接地連接，因?yàn)轱@示器的邊緣之一會(huì)有輕微的倒角。當(dāng)然也要檢查您的數(shù)據(jù)表！

簡(jiǎn)而言之，我們需要做的就是添加 10 個(gè)電阻（我發(fā)現(xiàn) 150Ω 的電阻足以讓 LED 變亮，但就從 Raspberry Pi 引腳汲取的電流而言仍然是安全的）。

4位7段顯示器

該顯示器可用于顯示傳感器測(cè)量的厘米數(shù)。

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它是如何工作的？

如果將引腳 12 連接到 GND，則第一個(gè)數(shù)字將激活（9 = 第二，8 = 第三，6 = 第四）。