情景描述
随着科学技术的飞速发展,超声波在生产、生活中的应用范围越来越广。目前,离生活最近的超声波应用就是测距。如泊车辅助系统、智能导盲系统、移动机器人等距离测量都会用到超声波测距。同时,超声波测距技术还能够实现对障碍物距离的精确测量。本课我们将利用超声波传感器，做一把可以测距的枪。
知识与概念
要学习本课的案例，需要了解以下的概念与原理
1.数码管模块
最多可以显示由四个数字组成的数，所以叫做“四位数码管”。数码管的每个数都是由八段LED组成，其中七段LED用于显示数字，第八段在数字的右下角，用于显示小数点。
2.按钮模块
可以作为开关使用。按键有“按下”和“弹起”两种状态。默认状态是“弹起”；当用手指按住按键帽往下按、并且保持不动的时候，就处于“按下”状态；松开手指，按键又会重回“弹起”状态。
3.超声波传感器
超声波传感器模块是一种能够把超声波信号转换为电信号的传感器。超声波传感器是一种专门利用超声波测量距离的传感器。它可以发射和接收超声波，发射的超声波碰到障碍物后会反射，这些反射波被超声波传感器接收到以后，通过计算发射和接受的时间间隔来确定与障碍物之间的距离。超声波模块有效探测距离范围为4-400cm。
要制作本课的范例作品，还需要学习以下新的指令
1.”数码管显示数”指令
这个指令在HaodaBit类别指令中，使用这个指令可以设置指定端口数码管显示指定的数值。指令默认是“I2C”端口、“整数”类型、显示内容是“100”。需要显示的数值可以在参数框中输入。
2.”数码管清除”指令
这个指令在HaodaBit类别指令中，使用这个指令可以清除指定端口数码管上显示的内容。
3.“数字口读取 “指令
这个指令在高级类别指令中的引脚类别指令下，使用这个指令可以读取指定数字口的输出值。指令默认是数字口“P0”。通过单击下拉列表，可以选择P0~P2这3个模拟端口和P8、P12、P16这3个数字端口(注意：模拟端口具备数字端口功能，可以当作数字端口使用)。
4.“超声波“指令
这个指令在HaodaBit类别指令中，使用这个指令可以读取指定端口的超声波传感器探头到前方物体的直线距离，取值范围是(1，400)，单位是“厘米”。指令默认是“P0”端口；通过单击下拉列表，可以选择P0~P2这3个模拟端口和P8、P12、P16这3个数字端口
作品制作
1.作品描述
超声波测距枪是一个对于数码管模块、按钮模块和超声波传感器综合使用的案例，使用按钮来控制超声波传感器进行测距，按下按钮，返回距离数值，显示在数码管上，松开按钮，不测距，数码管不显示距离数值。再通过乐高搭建，搭出枪型的结构造型，从而完成超声波测距枪的制作。
2.硬件连接
将模块与haoda:bit连接起来：按钮模块连接在“P0”端口，超声波传感器连接在“P1”端口，数码管模块连接在“I2C“端口；接着haoda:bit与计算机连接，将haoda:bit开机，确定电脑资源管理器跳出“MICRBIT”U盘，进入下载模式。
3. 在数码管上显示按键值
登录“好好搭搭”网站，选择“创作”栏目中的“好搭bit模板”，进入“haoda:bit编程设计页”进行编程。
要在数码管上显示按键值，应将数码管相关的指令与“数字口读取“指令结合使用，具体程序代码如下图所示
试一试：将上图代码编译后下载到主控板上，然后“按下”或者“弹起”按键，观察点阵屏上显示的数值，并记录下来。
我发现：________________________________________________________________________________ 
4.在数码管上显示超声波测距值
要让数码管显示超声波测距值，应将数码管相关的指令与“超声波”指令结合使用，具体程序代码如下图所示
5.用按钮控制测距
用按钮控制测距，在上面程序编写的基础上加上“如果”与“比较”指令。使用比较指令，比较当按键按下，也就是等于1时，超声波传感器开始测距，数码管显示测距值；当松开按键时，也就是数值等于0时，超声波停止测距，数码管清除。具体程序代码如下图所示：
拓展与思考
超声波传感器除了制作测距枪，你还能结合之前所学的传感器用它制作哪些更好玩的智能装置作品？
我打算这么做：_________________________________________________________________________
______________________________________________________________________。
做的时候需要注意：____________________________________________________________________

1
基于单片机的超声波测距仪设计
1
系统要求
我们组选择制作了一套超声波测距系统，功能有：倒车雷达测量的显示距离
在手机
APP
上显示，设定阈值，若小于设定的距离数值，蜂鸣器发出报警声。
2
研究目的
为了深层次的巩固学习的单片机的知识，更加熟悉的使用
Proteus
和
Keil C51
这两个软件。能够综合所学的单片机的知识进行系统设计，将所学习的知识运用
到生活中。我们组选择制作了这样一套超声波测距系统。
3
设计方案及原理框图
3.1
系统概述
在汽车倒车中存在的困难之一也会影响到驾驶员的驾驶情况，在驾驶员在驾
驶座位上无法完全了解到四周特别是后方环境时，只能依赖后视镜来观察后方障
碍物，而这种环境因素也会限制驾驶员的视野狭窄和清晰度，从而驾驶员导致倒
车会遇到危险。其二是驾驶员在进行倒车过程中，要观察左右环境，同时也要兼
顾到汽车后侧与障碍物的距离，这样会使驾驶员过于分心和费力费神。其三是驾
驶员会依赖自己长久以来的驾驶技术，以此来停靠车位，这样会引起驾驶员无法
准确的倒入准确位置。
解决这种问题是在汽车生产行业中重中之重要解决的一个技术性难题，
我们可在汽车内部安置一个汽车倒车预报警系统，显示器可装置在汽车内部，驾
驶员能看到的有利位置，而感应器则可以装置在汽车后侧内部，从而接受到后方
的障碍物情况，传输到显示器当中。这个设计可避免驾驶员在倒车时候频繁看后
视镜去判断汽车与障碍物的距离，从而避免发生事故发生。汽车倒车预报警系统
在很大程度上解决了汽车倒车的难题，同时也为驾驶员的驾驶提供了安全的保障。
该设计由超声波传感器、
STC89C52
系列单片机、
HC-SR04
超声波传感器模块、蜂
鸣器组成。总体设计方案如图
1
所示。

没有进行补偿，
能达到简单应用的基本要求。
３
电路结构
根据超声波测距基本原理，
可
以设计出超声波测距系统的
组成框图如图
３－
１
所示。
３．１
单片机系统及显示电路
单片机用
Ｐ１．０
端口输出超声波换能器所需的
４０ｋＨｚ
方波
信号，
利用外中断
０
口监测超声波接收电路输出的返回信号。
显
示
电路采
用
简
单
实
用
的
４
位
共
阳
极
ＬＥＤ
数
码
管
，
段
码
用
７４ＬＳ２４４
驱动，
位码用
ＰＮＰ
三极管
８５５０(
可用
９０１２
替代
)
驱动。
单片机系统及显示电路如图
２
所示。
图
２
单片机及显示电路
３．２
超声波发射电路
超声波发射电路原理图如图
３
所示。发射电路主要由反向
器
７４ＬＳ０４
和超声波换能器
Ｔ
构成，单片机
Ｐ１．０
端口输出的
４０ｋＨｚ
方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个
电极，
另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。
用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高
超声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联，
用以提高驱动
能力。上拉电阻
Ｒ１０
、
Ｒ１１
一方面可以提高反向器
７４ＬＳ０４(
输出
高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效
果，
缩短其自由振荡的时间。我们在实验制作和电路改进中，
为
了增加测量测量，
可以考虑提高接收的灵敏度，
但是灵敏度也并
不是越高就越好。接收灵敏度过高，
容易引起自激，
结果反而不
好，
但是其实我们可以从增加发射功率方面着手，
我们只要在发
射头两端加个线圈。线圈可以自己用
０．０１ｍｍ
的铜丝在小磁环
绕成大致初级
１０
匝，
次级
４０
匝左右。
压电式超声波换能器是利用压电晶体的谐振来工作的。超
声波换能器内部结构如图
４
所示，它有两个压电晶片和一个共
振板。
当它的两极外加脉冲信号，
其频率等于压电晶片的固有振
荡频率时，
压电晶片将会发生共振，
并带动共振板振动产生超声
波，
这时它就是一个超声波发生器；
反之，
如果两电极间未外加
电压，
当共振板接收到超声波时，
将压迫压电晶片作振动，
将机
械能转化为电信号，
这时它就成为超声波接收换能器了。
超声波
发射换能器与接收换能器其结构上稍有不同，使用时应分清器
件上的标志
(
一般器件上有标明是
Ｔ
还是
Ｒ)
。
简易超声波测距仪的制作
李永鉴
，
刘国安
(
五邑大学信息学院
广东江门
５２９０２０
)
【
摘
要
】
：
本系统利用
ＡＴ８９Ｓ５１
产生
４０ｋＨｚ
的频率驱动超声波换能器的发射头，
接收头收到信号后，
经
ＣＸ２０１０６Ａ
芯片
进行放大、
限幅、
滤波、
整形、
比较后输出低电平送到单片机的外部中断
０
申请中断，
单片机响应中断请求，
取得定时器内的时
间进行距离计算，
用四位一体的数码管显示测出的距离，
并可根据设定报警距离进行报警。制成的超声波测距仪性能良好，
结构简单，
达到了方便、
快捷、
准确地测量距离的目的，
有较好的推广价值。
【
关键词
】
：
超声波传感器；
测距；
ＣＸ２０１０６Ａ
；
数码管显示；
单片机
图
３
超声波发射电路原理图
图
４
超声波换能器结构图
１３１

轻松学Lesson9超声波测距仪
1.课程简介
本节课以超声波测距仪为例，为大家讲解超声波测距的原理及基于IIC通讯协议的LCD液晶屏的使用。
本节课所需硬件：Arduino UNO、IO扩展板、LCD显示器、超声波测距模块
Lesson-9.png (143.02 KB, 下载次数: 12)
2019-4-29 17:12 上传
2.本节知识点
设备初始化
LCD液晶显示器使用
*脉冲宽度检测
3. Mixly模块
初始化
3.1 初始化.png (10.21 KB, 下载次数: 7)
2019-4-29 17:12 上传
模块位置：“控制”栏
模块功能：初始化设备及变量。
该模块对应的Arduino程序的setup()函数，该函数内的命令在设备通电启动后仅执行一次，所以通常在此函数内进行设备初始化、串口通讯频率、端口模式等设定操作。
变量声明虽然可以放到该模块内，但在实际的Arduino代码，变量声明语句并不在setup()函数内。具体内容会在慕课最后一节中讲解。
LCD初始化
3.2 LCD初始化.png (34.53 KB, 下载次数: 7)
2019-4-29 17:12 上传
模块位置：“显示器”栏
模块功能：设定显示器类型，初始化LCD，建立IIC通讯。
1602：课程套件中所用的显示器类型，两行显示，每行16个字符。除此之外还有2004型，即4行显示，每行20字符。
ArduinoUNO板的时钟总线为A5端口，数据总线为A4端口，不可更改。
0x20为课程所用套件的LCD液晶屏IIC地址，第三方的IIC协议LCD液晶屏地址默认为0x27，可以通过短接屏幕背面接口板上的A0、A1、A2接口调整IIC地址。
液晶显示屏功能设置
3.3 液晶屏设置.png (7.83 KB, 下载次数: 6)
2019-4-29 17:12 上传
模块位置：“显示器”栏
模块功能：设置液晶显示屏的功能，如屏幕开、关、光标显示、背光闪烁、清屏等操作。
液晶屏内容显示
3.4 内容显示.png (15.31 KB, 下载次数: 7)
2019-4-29 17:11 上传
模块位置：“显示器”栏
模块作用：设定显示的内容及内容首字母的行、列位置。行数自下而上数，列数为自左向右数。
超声波测距
3.5 超声波测距.png (14.75 KB, 下载次数: 8)
2019-4-29 17:11 上传
模块位置：“传感器”栏
模块功能：测量超声波测距模块返回的脉冲长度信号并换算成对应距离。
文本连字符
3.6 文本连接.png (5.21 KB, 下载次数: 33)
2017-4-13 18:53 上传
模块位置：“文本”栏
模块功能：将左右两侧的字符串连接成一个字符串。
Distance为浮点型(Mixly中描述为小数类型)变量，转变为字符串，转换后的结果无法直接进行数字运算。即数字5≠字符5，符号相同，意义不同。
*脉冲宽度检测
3.7 脉冲宽度检测.png (2.89 KB, 下载次数: 37)
2017-4-13 18:53 上传
所处位置：“输入输出”栏
模块作用：检测对应管脚返回高电平的持续时间。
4.程序及流程图
程序图
4. 程序图.png (192.82 KB, 下载次数: 79)
2017-4-13 18:53 上传
流程图
4.1 流程图.jpg (21.01 KB, 下载次数: 10)
2019-4-29 17:11 上传
5.关联知识讲解
IIC协议
IIC是飞利浦公司研发的一种总线通讯协议，每条IIC总线上有一台主机，7位寻址IIC总线的最多可以同时接入127台从机，设备各自对应独立的地址信息。
主机与从机通过时钟总线和数据总线通信。Arduino UNO板的时钟总线为A5端口，数据总线为A4端口，不可更改。
超声波测距原理
套件中所使用的HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的距离感测，测距精度可达3mm。测量过程首先向Trig端口输入持续时间10μs的高电平信号，随后拉低电平信号，测距模块会发出1组8个40KHz的脉冲信号，脉冲信号遇到障碍物后反弹，测距模块一旦接受到返回的信号，则会在Echo端口输出长度与所测距离成正比的脉冲信号，我们通过脉冲长度检测获取到信号长度，乘以声速再除以2，即可得到距离数值。
5. 测距原理.png (116.15 KB, 下载次数: 6)
2019-4-29 17:10 上传
distance=time×340m/s÷2
*脉冲宽度检测
按照上述的测距流程，程序中的距离测量也可用右侧的程序实现。两者等效。
5.2 脉冲宽度检测.png (83.58 KB, 下载次数: 9)
2019-4-29 17:10 上传
6.课堂练习
结合纸模，制作一个测距仪。
7.作业及挑战
由于显示频率，课程中的案例闪烁过快，如何实现如下稳定显示效果？
完成程序并上传程序截图及效果视频。
课程简介
《Arduino轻松学》是科技学堂制作的在线系列创客教学视频之一。《轻松学》是一套Arduino开发的基础入门课程，适合还没有过硬件开发和编程经验的人群做入门学习使用。本课程中，每节课带你制作一个趣味小项目，在学到技术的同时，也开动想象发挥创造。课程案例
《轻松学》课程中使用非常适合初学者的DFRobot的米思齐(Mixly)编程积木入门套装，软件选用图形化编程的Mixly。课程以视频+图文的呈现形式，深入浅出。既有操作演示，又方便学习者自主观看查询，轻松完成Arduino的入门学习。