模組介紹 : faya超音波距離感應模組

學習目標 : 認識faya超音波距離感應模組的功能及使用方式
學習時間 : 50min
示範模組 :  (1) faya brickNano
                  (2) faya蜂鳴器模組
                  (3) faya超音波距離感應模組


====================功能介紹====================
faya超音波距離感應模組採用市面上的超音波距離感應器(HC-HR04)，他具有一對類似眼睛的超音波介面，一邊是發射器，另一邊是接受器，當發射器發出40KHz超音波，遇到障礙物時會反彈，接收器會感應到反彈回來的超音波，我們可以透過時間差來算出障礙物和模組間的距離，規格書上顯示此模組能夠量測從2~400公分的理想距離，應用在避障自走車、機器人、物體測距上都有不錯的效果。

HC-HR04簡單易用，只要幾行的指令就能夠測出感測距離。他的介面為Trig(輸入埠)和Echo(輸出埠)，負責通知模組何時送出超音波訊號，何時收到超音波的反彈訊號。

• Trig埠 : 收到方波(10us)訊號後，會送出超音波
• Echo : 收到回彈的超音波訊號時，會送出HIGH訊號

模組的面板圖如下所示，右方有一個4pin的排母，其中上方的2pin為Trig埠，下方的2pin為Echo埠，上方標示Trig的2pin是相通的，下方標示Echo(但被遮住了)也是相通的，連接線路時，只要選擇其中一個孔位連接即可。

====================原理知識====================
以下解釋提供給有需要知道背後原理的人

HC-SR04的原理很簡單，當我們給模組一個10us的方波時，模組就會發射出8個40KHz的超音波，此時Echo會由LOW轉HIGH，等到模組接收到超音波的反彈訊號時，Echo由HIGH轉LOW。

有了發射和接收的時間記錄點，我們就可以算出距離了- 聲音在空氣中的傳播速度約為每秒340 公尺 (34000公分)，取倒數可算出傳播1公分所花的時間， 1 / 34000 = 29 x 10^-6 = 29uS。又由於超音波發射後，遇到障礙物反彈回到原點所花的是2倍的距離，因此實際上量測到1公分所花的總時間是58us(去程29us+回程29us)，這個數字寫程式時會用到。

===================範例實作(1)===================
了解模組功能(原理)後，我們用以下範例來展示模組的功能:

目標: 
(1)在串列埠監視視窗顯示超音波感應距離

接線:
(1) 電源線連接
     如下圖所示，連接的說明請看這篇文章 或簡易版

(2) 訊號線連接
      Arduino_D5  ===>  超音波距離感應模組_Trig
      Arduino_D6  ===>  超音波距離感應模組_Echo

範例程式:

	// 2017/8/21
	// Faya-Nugget 範例程式 (UltrasonicDistance_1.ino)
	// 單元: 模組介紹:faya超音波距離感應模組
	// 網址: https://fayalab.blogspot.com/2017/08/UltrasonicDistance.html
	// 目標: (1)在串列埠監視視窗顯示超音波感應距離
	// 接線: Arduino ==> faya模組
	// D5 ==> Trig (超音波距離感應模組)
	// D6 ==> Echo (超音波距離感應模組)
	unsigned long distance=0; //宣告distance變數
	#define Trig 5 //Trig = pin 5
	#define Echo 6 //Echo = pin 6
	void setup() {
	Serial.begin(9600); //開啟串列埠, 9600bps
	pinMode(Trig, OUTPUT); //設定trig為輸出埠
	pinMode(Echo, INPUT); //設定echo為輸入埠
	}
	void loop()
	{
	digitalWrite(Trig, HIGH); // 輸出Trigh為HIGH
	delayMicroseconds(10); //維持10uS
	digitalWrite(Trig, LOW); // 再轉LOW
	distance=(pulseIn(Echo, HIGH)/58); // 利用pulseIn計算Echo的寬度(時間)，再除以58uS的單位時間，算出感測距離
	Serial.print("Distance = "); //顯示字串
	Serial.print(distance); //顯示距離
	Serial.println(" cm"); //顯示單位
	delay(500); //每0.5秒測一次距離
	}

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備註:
- L22~L24: 產生10uS脈衝寬度，觸發Trig
- L25: 利用pulseIn( )函式讀取指定針腳(Echo腳位)的脈衝時間，指令的參數填入HIGH，函式會等待Echo腳位變為HIGH後開始計時，再等待Echo腳位變為LOW並停止計時。輸出的脈衝寬度單位為uS，因此除以58uS後得到公分。

範例結果:

===================範例實作(2)===================
目標: 
(1)在串列埠監視視窗顯示超音波感應距離
(2)蜂鳴器根據感測距離，輸出週期性聲音，距離愈短輸出聲音愈急促
(3)距離小於3公分時，蜂鳴器長叫

接線:
(1) 電源線連接

(2) 訊號線連接
      Arduino_D5  ===>  超音波距離感應模組_Trig
      Arduino_D6  ===>  超音波距離感應模組_Echo

    Arduino_D13  ===>  蜂鳴器模組_BZ

範例程式:

	// 2017/8/21
	// Faya-Nugget 範例程式 (UltrasonicDistance_2.ino)
	// 單元: 模組介紹:faya超音波距離感應模組
	// 網址: https://fayalab.blogspot.com/2017/08/UltrasonicDistance.html
	// 目標: (1)在串列埠監視視窗顯示超音波感應距離
	// (2)蜂鳴器根據感測距離，輸出週期性聲音，距離愈短輸出聲音愈急促
	// (3)距離小於3公分時，蜂鳴器長叫
	// 接線: Arduino ==> faya模組
	// D5 ==> Trig (超音波距離感應模組)
	// D6 ==> Echo (超音波距離感應模組)
	// D8 ==> BZ (蜂鳴器模組)
	unsigned long distance=0; //宣告distance變數
	#define Trig 5 //Trig pin = 5
	#define Echo 6 //Echo pin = 6
	#define BZ 13 //Buzzer pin = 13
	void setup() {
	Serial.begin(9600);
	pinMode(Trig, OUTPUT); //設定Trig為輸出埠
	pinMode(Echo, INPUT); //設定Echo為輸入埠
	pinMode(BZ,OUTPUT); //設定BZ為輸出埠
	}
	void loop() {
	digitalWrite(Trig, HIGH); // 輸出Trigh為HIGH
	delayMicroseconds(10); //維持10uS
	digitalWrite(Trig, LOW); // 再轉LOW
	distance=(pulseIn(Echo, HIGH)/58); // 利用pulseIn計算Echo的寬度(時間)，再除以58uS的單位時間，算出感測距離
	Serial.print("Distance = "); //顯示字串
	Serial.print(distance); //顯示距離
	Serial.println(" cm"); //顯示單位
	if(distance <= 30 & distance >5) // 量測距離在30cm~5cm時
	{
	tone(BZ,784,10*distance); //發出G5(So)的音階，聲音長度和距離成正比
	delay(distance*20); //暫停發音，暫停時間和距離成正比
	}
	else if (distance <= 5) // 量測距離在5cm以內時
	{
	tone(BZ,784,1000); // 發出長鳴
	}
	else // 超過30時
	{
	delay(500); // 什麼事都不做，延遲500毫秒就好
	}
	}

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備註:
- 蜂鳴器的使用方式，請參考faya蜂鳴器模組 
- L34~L46: 感測距離分成三個範圍，30cm以上靜音，30~5公分發出嗶嗶聲，愈短愈急促，5公分以內直接長鳴。
- L36~L37: 透過tone()和delay()函式，讓鳴叫和休鳴的時間成正比，也就是距離長時，鳴叫的時間變長，休鳴的時間也變成，距離短時，鳴叫的時間變短，休鳴的時間也會變短，會有急促的感覺。
- L41: 只發出鳴叫，但沒有休鳴時間，因此如果一直在此距離時，會一直發出鳴長鳴聲
- L45: 距離太長時，什麼事也不做，就像上一個範例一樣，每0.5秒在串列埠監視視窗顯示超音波感應距離。

範例結果:

討論:
大家有沒有發現第二個範例就是在模擬倒車雷達的動作，通常車子後方會裝上三顆超音波測距元件(發射和接收為同心圓，價格較貴)，在車子打倒車檔時開始動作，快撞到牆壁時，會發出急促甚至長鳴聲，如果有三個超音波同時運作，我們就能夠偵測是正後方，右後方還是左後方快要碰撞到了。

大家有沒有想到利用此模組達到有意思的創作呢? 歡迎大家在底下留言或到我們的粉絲團留言喔!
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