昉·星光系列课程4：昉·星光开发板超声波测距
本次课程为昉·星光开发板IoT开发系列课程的第四讲，将带领同学们在昉·星光开发板上，使用超声波测距模块进行测距。
本次课程，在昉·星光开发板V1和V2上，操作步骤相同。
一、学习目标
- 学习昉·星光开发板控制超声波测距模块测距
二、准备工作
在开始本次课程的实际操作之前，同学们需要做好一些准备工作，课程中涉及到的硬件如下：
- 开发板：昉·星光开发板
- 超声波测距模块： HC-SR04
- 杜邦线：若干
三、超声波测距传感器测距原理
本次课程中，使用的超声波测距传感器型号为HC-SR04，该模块具体如下：
在超声波传感器的最前面，有两个金属探头，一个类似喇叭用于发射超声波，一个类似麦克风用于接收反射回来的超声波。
超声波测距利用超声波在空气中的传播时间来进行测距。HC-SR04发射40KHz的超声波，遇到障碍物后将会反射。从发射和反射回来，超声波在空气中经过一定距离需要一定的时间。因此，我们计算计算传播过程所花费的时间，就能计算出HC-SR04与障碍物之间的距离。
在超声波传感器模块上，有两个控制引脚，分别为Trig和Echo。使用这两个引脚控制HC-SR04进行测距，具体步骤如下：
- 将Trig引脚保持高电平至少10us
- HC-SR04将对外发送40KHz的超声波，共8个周期
- 读取Echo引脚的输出电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间
- 根据得到的时间，计算出实际的距离
距离计算公式：
- 距离 =（超声波速度 * 高电平保持时间）/ 2
- 超声波速度：取声波在空气中的速度240m/s
因为超声波从HC-SR04到障碍物需要一个来回，所以实际距离为超声波路程的一半。
四、超声波测距实验
通过上述超声波测距的原理，我们可以得知，可以通过两个引脚，一个引脚控制HC-SR04的Trig来控制超声波的发射，一个引脚从HC-SR04的Echo读取电平状态来得知超声波是否返回。
首先，参考下图，将超声波测距模块，连接到昉·星光开发板：
实物连接如下：
注意：
应根据实际使用的传感器，确定供电电压。本次课程中使用的HC-SR04使用5V供电电压。
然后，编写如下的程序：
# -*- coding: utf-8 -*-
# file: ~/projects/distance/udm.py
# pip3 install gpio
import os
import time
from time import sleep
#导入 GPIO库
import gpio as GPIO
import time
#定义 GPIO 引脚
GPIO_TRIGGER = 54
GPIO_ECHO = 51
#设置 GPIO 的工作方式 (IN / OUT)
GPIO.setup(GPIO_TRIGGER, GPIO.OUT)
GPIO.setup(GPIO_ECHO, GPIO.IN)
def distance():
# 发送高电平信号到 Trig 引脚
GPIO.output(GPIO_TRIGGER, True)
# 持续 10 us
time.sleep(0.00001)
GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False)
start_time = time.time()
stop_time = time.time()
# 记录发送超声波的时刻1
while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 0:
start_time = time.time()
# 记录接收到返回超声波的时刻2
while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 1:
stop_time = time.time()
# 计算超声波的往返时间 = 时刻2 - 时刻1
time_elapsed = stop_time - start_time
# 声波的速度为 343m/s， 转化为 34300cm/s
distance = (time_elapsed * 34300) / 2
print("往返时间=%0.3fms 物体距离=%0.2fcm" % (time_elapsed*1000, distance))
return distance
while True:
print("测量距离：")
distance()
sleep(1)
上述程序的逻辑根据超声波测距模块的原理，首先输出高电平到Trig引脚，保持10us，触发超声波发送，然后从Echo引脚读取高电平信号，从而得到间隔时间，再根据公式计算出实际的距离。
编写完成后，运行 udm.py ，即可按键控制LED了。
# 安装GPIO模块
sudo pip3 install gpio
# 如果遇到错误，可以使用sudo python3 udm.py运行：
python3 udm.py
实际运行和测量结果如下：
注意：因为超声波实在空气中传播，也会受到现场环境的影响，所以实际使用中，可以进行多次测量，然后取平均值。
五、总结
在本次课程中，我们学习了通过使用超声波测距模块进行测距。
在实际处理的过程中，涉及到了以一定的时序控制外部设备，然后再从外部设备读取数据的逻辑。虽然其中的控制时序非常简单，但这是很多复杂控制的基础。
六、课后作业
- 了解超声波测距模块
- 编写程序，测量所居住房屋的长宽高
- 编写程序，实现物体安全距离(>2m)、警告距离(2m~1m)、危险距离(<1m)分别亮绿灯、黄灯、红灯