在Arduino上使用感測器：創建一個可以檢測運動並作出回應的簡單設備

超聲波感測器是一種簡潔的多功能感測器，可以應用到您的Arduino專案中。顧名思義，它利用超聲波來檢測出現的物體以及物體的距離。這種設備可用於動作識別，或者在檢測範圍內出現目標物件時作出回應。

當然，您也許會想知道的是Arduino超聲波感測器究竟是如何工作的？

為了描述它的工作原理，本指南將向您展示如何使用超聲波感測器來組裝一個簡單的樂器。

超聲波感測器的工作原理

我們今天要瞭解的超聲波感測器是HC-SR05，它是舊版HC-SR04的5引腳升級版本。該設備具有兩個圓柱形模組。一個是發出超聲波信號的發射器，另一個是接收器，會捕獲到達物體後反彈回來的信號。通過測量信號返回的時間，感測器可以計算出物體的距離。

雖然其他感測器（如被動紅外線運動感測器）也具有類似的功能，但是超聲波感測器的功用更強，因為它使您的專案不僅可以檢測到面前經過的物體，還可以區分出不同物體的距離遠近。

我們使用這種技術來創建一個浮動的樂器。該專案不是通過按下鋼琴鍵來彈奏音符，而是讓您把一個物體—比如一根棍子或者您的手指—放在感測器前面，根據物體與感測器之間的距離來播放不同的音符。這並不能打造出鋼琴的效果，但是通過創建該專案，您可以瞭解能用這款便利的Arduino聲音感測器來做什麼。

所需組件

為了創建該專案，您需要具備以下元件：

Arduino Uno
HC-SR05 超聲波感測器 （可以使用HC-SR04或其他超聲波感測器，但需要修改引腳配置）
Arduino IDE

您還需要使用以下硬體，都是比較通用的設備：

● 揚聲器：大多數簡單的揚聲器模組都可以，本專案使用的是該款簡單的單聲道揚聲器。
● USB 電纜

如果您還沒有設置Arduino IDE，可以先查閱我們之前發佈的指南。

代碼

首先，我們先來看一下要上傳到Arduino Uno的代碼，瞭解將要執行的操作。

void setup() {
pinMode (6,OUTPUT); //Insert HC-SR-05 with VCC in pin 6
pinMode (5, INPUT); // Assign pin 5 to Echo
pinMode (4, OUTPUT);// Assign pin 4 to Trig
pinMode (2,OUTPUT); // Assign pin 2 to GND.
Serial.begin(9600); // This will allow you to read how far away your sensor is later
}

void loop()
{
long duration, cm; // Initialize variables for duration and cm

digitalWrite(6, HIGH); // Power the sensor
digitalWrite(4, LOW); // Clear pulse before sending a 10 microsecond ping,
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(4, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(4, LOW);

duration = pulseIn(5, HIGH); // Detect pulse length from the Echo pin, measured in microseconds
cm = (duration/2)/29.155; // Divide duration in half (due to round trip), then convert distance to centimeters (1cm per 29.155 microseconds), assign to cm variable

Serial.print(cm); // Print distance in cm to serial monitor
Serial.print(“cm”);
Serial.println();

delay(100); // Delay

int note = 0; // Assign note based on distance, spacing notes per 6cm

if(cm<=48&&cm>42) {
note = 523;
} else if(cm<=42&&cm>36) {
note = 493;
} else if(cm<=36&&cm>30) {
note = 440;
} else if(cm<=30&&cm>24) {
note = 392;
} else if(cm<=24&&cm>18) {
note = 349;
} else if(cm<=18&&cm>12) {
note = 329;
} else if(cm<=12&&cm>6) {
note = 294;
} else if(cm<=6) {
note = 261;
}

if (note == 0) { // If distance isn’t within 48cm, play nothing
noTone(9);
} else {
tone(9, note, 200); // Play assigned note for 200 milliseconds
}

delay(10); // Brief pause
}

您可以將上述代碼複製到您的IDE中，將其上傳到Uno，如果您想運行該代碼，可以繼續進行下一部分，但是這部分的代碼很重要，有必要對其進行分析和理解。首先：

digitalWrite(6, HIGH); // Power the sensor
digitalWrite(4, LOW); // Clear pulse before sending a 10 microsecond ping,
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(4, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(4, LOW);

duration = pulseIn(5, HIGH); // Detect pulse length from the Echo pin, measured in microseconds
cm = (duration/2)/29.155; // Divide duration in half (due to round trip), then convert distance to centimeters (1cm per 29.155 microseconds), assign to cm variable

這部分的操作是在Trig引腳上發出40KHz脈衝。這種超聲波信號會在它接觸的所有物體上發生反射，然後返回到接收器。接下來，pulseIn()函數測量從脈衝離開感測器到接收器檢測到返回信號所用的時間，單位為微秒。

然後將該時間除以2，因為這是信號往返花費的總時間。這為我們提供了40KHz聲音傳播到物體所需的微秒數。由於聲音傳播1釐米大約需要29.155微秒，所以我們可以將計算出的時間除以29.155。以此我們就可以計算出目標物件的距離，單位為釐米，然後將該距離值分配給cm變數。

接下來的幾行代碼會將距離（以釐米為單位）列印到串列監視器，這有助於確認代碼運行正常，並便於我們在運行程式時查看物體的距離。

代碼的最後主要相關部分是這樣的：

int note = 0; // Assign note based on distance, spacing notes per 6cm

if(cm<=48&&cm>42) {
note = 523;
} else if(cm<=42&&cm>36) {
note = 493;
} else if(cm<=36&&cm>30) {
note = 440;
} else if(cm<=30&&cm>24) {
note = 392;
} else if(cm<=24&&cm>18) {
note = 349;
} else if(cm<=18&&cm>12) {
note = 329;
} else if(cm<=12&&cm>6) {
note = 294;
} else if(cm<=6) {
note = 261;
}

if (note == 0) { // If distance isn’t within 48cm, play nothing
noTone(9);
} else {
tone(9, note, 200); // Play assigned note for 200 milliseconds
}

該代碼塊將根據物體的距離為揚聲器分配一個頻率。此Arduino參考文檔列出了一系列音符的頻率，我們將以此作為參考。使用 if else 語句 來根據目標物件的距離（以6cm為增量）為音符變數分配一個頻率，可在整個八度音階範圍內提供八個音符。如果沒有檢測到任何物體，音符變數值為0。

在最後一部分中，tone() 函數用來播放音符，如果48cm內沒有檢測到物體，noTone() 函數將會停止前一個聲音的播放。在開始迴圈之前的最後一個指令是delay()。這些延遲有助於避免程式更改音符過快，因為感測器的精確度沒有那麼高。

接線

瞭解了代碼如何運行之後，您就可以將其上傳到Arduino Uno上了，然後拔掉設備。現在，是時候將它們連接起來了。我們已經完成了代碼的編寫以盡可能簡化該過程。您所要做的就是按照以下步驟進行操作：

● 將HC-SR05感測器插入數字引腳2到6，GND插入引腳2，VCC插入引腳6。這樣連接可以使感測器朝向外側，遠離Arduino。
● 將揚聲器上的正極線（通常為紅色）插入引腳9。
● 將另一根揚聲器線（通常為黑色）插入其中一個GND引腳。

連接好所有電線好，插入Arduino，並在感測器前留出大約50釐米的空間。接下來是最有趣的部分。將您的手或者一根小棍子放在感測器前面，您會聽到揚聲器發出的聲音。物體放置的越遠，音調越高。

您可以嘗試使用delay() 和 tone() 所帶來的持續時間使聲音聽起來更平滑，或調整頻率值以獲得不同的音符。該感測器還可以用作報警器，以在物體進入一定範圍內的區域時發出警報，或者當您的手處於某一距離範圍內時向您的電腦發送指令。