第08篇 超音波測距及蜂鳴器製作倒車雷達

by 小霸王實驗室in ESP32, ESP32入門到進階on Posted on

現在的汽車大部分都有配備倒車雷達，就是倒車時，會依據車子與障礙物之間的距離發出不同頻率的嗶嗶聲，用來指引駕駛避免撞到別人的車子，而這套倒車雷達我們也可以使用ESP32來實做。

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實做說明

超音波與蜂鳴器：倒車雷達

現在的汽車大部分都有配備倒車雷達，就是倒車時，會依據車子與障礙物之間的距離發出不同頻率的嗶嗶聲，用來指引駕駛避免撞到別人的車子，而這套倒車雷達我們也可以使用ESP32來實做。本章分成兩個部份，第一節我們先來了解超音波測距的原理，第二節再實做蜂鳴器與倒車雷達。

超音波距離感測原理

爬山時，如果我們對著遠處的山頭大喊「你好」，過了幾秒就會聽到有人也對你喊著「你好」，筆者小時候一直以為是對面的登山客跟你在打招呼，後來才知道這叫做回音。

回音的原理示意圖

那麼回音與超音波距離感測器有什麼關係呢？

所謂的回音就是聲音傳遞路徑上有障礙物時，聲音就會反彈到原來發出聲音的人，而聲音在空氣中傳遞的速度約340公尺/秒，因此若我們計算發出(trigger)時間與聽到回音(echo)的時間差，就可以大致推算出發聲者與障礙物之間的距離了，我們可以將公式表示為：

距離(m)=（時間(s) x 340） / 2

數字340是音速，而要除2則是因為聲音去一次、回一次，一共跑了兩次所以要除2，而這也就是後來在二次大戰中廣泛使用的雷達的原理，不同的地方是雷達用的是電磁波，而我們在本次實驗用是超音波（Ultrasound）模組，所謂的「超」音波是指「超出人類可以聽到的聲音頻率」，一般人類的耳朵可以聽到的聲音頻率是在16Hz~20KHz之間，而超音波測距模組則設計使用20KHz以上的頻率，目的是不要在測距時發出惱人的噪音，也因為這樣這個測量距離的模組就稱為超音波測距模組，市面上常見的型號是HC-SR04如下圖。

HC-SR04超音波模組

超音波感測器有兩個大大的「眼睛」，很多機器人或小車結構都會利用這個感測器做避障功能，不過其實與其說是眼睛，不如說是「耳朵」，左下角標示的「T」是TX的意思，代表左邊的孔負責傳送(Transport)超音波，而右下角標示「R」是RX代表右側的耳朵負責接收（Receive）超音波回音，也就是左側是嘴巴負責發出聲音，而右側是耳朵負責聽回音，兩者缺一不可。

下方四個腳位則依序為VCC、Trig、Echo、GND，其中Trig代表嘴巴，決定何時發出聲音，Echo則代表耳朵，用來計算聽到回音的時間，再透過公式就可以計算距離了，而VCC與GND則與以往相同，接在5V及GND腳位，這裡說明一下目前超音波有多個版本，有少數版本僅能使用5V，而大多數是5V、3.3V都可用，因此個人建議接在5V的位置。

另外一個要注意的地方是超音波感測器可量測的範圍約在2cm~500cm之間，低於2cm則無法感測，超過500cm則會相當不準確，還有就是如果現場有多個超音波感測器同時作用，則會造成聲波之間的互相干擾，因此不要讓多個超音波同時進行測距。

本節我們就使用超音波感測器來製作倒車雷達，也就是說，利用超音波測量距離，並利用蜂鳴器發出聲音來指引駕駛，讓駕駛知道車子與障礙物之間的距離。不過我們先分別測試超音波與蜂鳴器是否正常，然後再將功能合併。

一、超音波測量距離

本部份我們先展示如何使用超音波模組進行距離測量，接線部份請參考圖

ESP32與超音波感測器線路圖

超音波距離測量程式說明

除了VCC、GND之外，我們將Trig接在GPIO12（麵包版左側7），而Echo接在GPIO14（麵包版左側8），程式的概念則是在Trig發出一小段音波後，就在Echo等候回音回傳，若收到回音，則Echo腳位會發出高電位，因此我們測量Echo轉成高電位的時間，最後再利用公式換算即可。

本案例有兩個新的語法，delayMicroseconds及pulseIn，分別介紹如下：

1. 暫停n微秒：delayMicroseconds(n);

之前我們常用的暫停是delay(1000)，在delay內的數字是毫秒ms(MilliSeconds)，也就是1/1000秒，因此delay(1000)是暫停1秒，但是若我們需要暫停時間比1/1000還小時，就要改用delayMicroseconds(n)，而內部數字n代表的是微秒（百萬分之一秒），通常用來進行更精確測量，例如本次使用超音波測距，常溫下音速每秒約340公尺，若使用1/1000秒，誤差將會超過30cm，因此須改用百萬分之一秒為單位進行測量。範例：

delayMicroseconds(5);//暫停百萬分之5秒=5微秒

2. 計算腳位的收到符合電壓的時間差：pulseIn(腳位,電壓);

pulseIn就是用來計算時間，例如說當程式執行到pulseIn(14, HIGH);時，代表我們要詢問14號腳位何時收到高電位，以本例而言，當超音波模組收到回音時，就會將Echo轉HIGH，因此我們利用這個語法，就可以求得收到回音的時間，此語法所取得的時間值單位為微秒。範例：

EchoTime=pulseIn(14, HIGH);//計算14號腳位收到高電位的時間

了解本次的兩個新程式語法後，我們將程式完成如下：

int Trig =12;//發出聲波

int Echo =14;//接收聲波

void setup(){

  Serial.begin(115200);

  pinMode(Trig, OUTPUT);

  pinMode(Echo, INPUT);

}

 

void loop() {

  digitalWrite(Trig, LOW); //關閉

  delayMicroseconds(5);

  digitalWrite(Trig, HIGH);//啟動

  delayMicroseconds(10); 

  digitalWrite(Trig, LOW); //關閉

  float EchoTime = pulseIn(Echo, HIGH); //傳回時間

  float CMValue = EchoTime * 34 / 1000 / 2; //轉換成距離

  Serial.println(CMValue);

  delay(50);

}

在loop內，我們先將trig關閉5微秒，然後開啟10微秒，之後就立即關閉，這個「關、開、關」的步驟的目的讓超音波模組初始化避免受到干擾，完成後之後便會發出一段超音波，接下來就是利用pulseIn計算收到回音的時間，最後再利用公式將時間轉換程距離即可。

CMValue = EchoTime * 34 / 1000 / 2

這裡的公式內的”34″是轉換成每1/1000秒，音速能跑約34公分，而除1000則是將百萬分之一秒轉成1/1000秒，最後再除2則是因為聲音去一次、回一次花了兩倍距離，除2就可以得到真實的距離。

下圖為本次計算的結果，使用者可以用手放在超音波模組的前方，並前後移動來觀測所獲得的距離。

超音波模組測距顯示結果

二、倒車雷達

要完成倒車雷達就必須再安裝一個新的感測器，就是蜂鳴器Buzzer，蜂鳴器在我們日常生活中很常見，例如電腦開機時會嗶一聲，或者火災時超級大聲的警報也是一種蜂鳴器，目前市面上實驗用的蜂鳴器可分成兩種無源蜂鳴器及有源蜂鳴器，兩者的主要差異在於發出聲音的結構不同，此處所謂的無「源」或有「源」的源是指「電源」的意思，無源蜂鳴器是利用供電的頻率（PWM）來改變蜂鳴器的聲音，因為不須接VCC，因此被稱為無源，另一種有源蜂鳴器則是接上VCC就會叫，聲音頻率是固定的，兩種各有用途，而本例則是採用無源蜂鳴器。

有源及無源蜂鳴器兩者外觀上沒有差異，因此購買前請跟賣家確認規格，避免買錯材料。其外觀如下圖，一般上方可能會有一張貼紙，記得實驗前先用筆戳破中間的洞即可，若完全撕開可能會在發低音時破音，蜂鳴器有兩隻腳，有些蜂鳴器會透過長短腳來區分正負極（長正短負），如果您所購買的沒有分長短腳，可觀察正面會標示+的符號，也可區分正負極。

無源蜂鳴器外觀

要控制蜂鳴器發出的聲音就要使用到另外一個程式庫：ESP32Servo，這也是一個控制PWM的工具，除了要用來控制蜂鳴器之外，後續我們也會使用他控制伺服馬達Servo來模擬開門，請選擇上方功能表/草稿碼/匯入程式庫/管理程式庫，開啟程式庫管理員如下圖，在上方關鍵字處輸出”ESP32Servo”，便可找到本程式庫，點選下方的安裝後，等候約一分鐘即可完成安裝。

程式庫管理員安裝ESP32Servo程式庫

無源蜂鳴器程式說明

程式庫安裝完畢後，我們先寫一個簡單能發出「小蜜蜂」音樂的程式進行聲音測試，在ESP32Servo中，控制蜂鳴器的語法是tone，說明如下

1. 發出一段時間的聲音：tone(pin, frequency, ms);

tone語法一共有三個參數，第一個是腳位pin，就是指蜂鳴器接在ESP32的哪一個腳位，第二個參數是frequency，則代表發出某個頻率的聲音，一般我們會用音樂的音階Do Re Mi來代表，關於音階與頻率之間的變換，可參考下表，例如中音Do頻率就是262，Re就是294，而Me則是330，因此發出Do, Re, Mi各半秒鐘，其程式如下所示：

tone(pin, 262, 500);//發出Do

tone(pin, 294, 500);//發出Re

tone(pin, 330, 500);//發出Me

2. 頻率音階對照表

音名CC#DD#EFF#GG#AA#B
音階DoReMiFaSoLaSi
低音333537394144464952555862
6569737882879398104110117123
中音131139147156165175185196208220233247
262277294311330349370392415440466493
523554587622659698740784831880932988
高音104611091175124513191397148015681661176018641976
209322172349248926372794296031363322352037293951
418644354699497852745588592062726645704074597902
頻率音階對照表

接下來我們將蜂鳴器接上ESP32，我們將蜂鳴器+腳接在GPIO 17，也就是麵包版右側編號9的位置，而另外一隻腳則接在GND的位置。

我們先透過一個簡單範例，發出小蜜蜂的第一段來檢查蜂鳴器是否正常，小蜜蜂的第一段為：

｜G E E -｜F D D -｜C D E F｜G G G -｜

#include <ESP32Servo.h>

int buzzer= 17;

void setup() {

  Serial.begin(115200);

}

 

void loop() {

  tone(buzzer, 392, 500);//G(So)

  tone(buzzer, 330, 500);//E(Me)

  tone(buzzer, 330, 500);//E(Me)

  delay(500);

  tone(buzzer, 349, 500);//F(Fa)

  tone(buzzer, 294, 500);//D(Re)

  tone(buzzer, 294, 500);//D(Re)

  delay(500);

  tone(buzzer, 262, 500);//C(Do)

  tone(buzzer, 294, 500);//D(Re)

  tone(buzzer, 330, 500);//E(Me)

  tone(buzzer, 349, 500);//F(Fa)

  tone(buzzer, 392, 500);//G(So)

  tone(buzzer, 392, 500);//G(So)

  tone(buzzer, 392, 500);//G(So)

  delay(3000);

}

倒車雷達程式說明

上述程式測試成功後，我們則來整合超音波感測及蜂鳴器來製作倒車雷達，為了簡化實驗，我們將超音波所檢測的距離分成四種狀態

安全：100cm內無障礙物，不發出聲音

注意：距離100~50cm之間，發出低音Do提醒使用者

小心：距離50~10cm之間，發出中音Do提醒使用者

危險：距離10～0cm之間，發出高音Do提醒使用者

透過改變聲調來提醒使用者，音調越高代表障礙物越接近，可避免撞到造成造成損失。本部份的程式如下

#include <ESP32Servo.h>

int Trig = 12; //發出聲波

int Echo = 14; //接收聲波

int buzzer = 17;//蜂鳴器

void setup() {

  Serial.begin(115200);

  pinMode(Trig, OUTPUT);

  pinMode(Echo, INPUT);

  pinMode(buzzer, OUTPUT);

}

 

void loop() {

  //步驟1：使用超音波測量距離

  digitalWrite(Trig, LOW); //關閉

  delayMicroseconds(5);

  digitalWrite(Trig, HIGH);//啟動

  delayMicroseconds(10);

  digitalWrite(Trig, LOW); //關閉

  float EchoTime = pulseIn(Echo, HIGH); //傳回時間

  float CMValue = EchoTime * 34 / 1000 / 2; //轉換成距離

  Serial.println(CMValue);

  //步驟2：使用蜂鳴器發出指定聲音

  if (CMValue < 100 && CMValue >= 50) {

    tone(buzzer, 33, 100); //注意：發出低音Do

  }

  if (CMValue < 50 && CMValue >= 10) {

    tone(buzzer, 523, 100); //小心：發出中音Do

  }

  if (CMValue < 10) {

    tone(buzzer, 4186, 100); //危險：發出高音Do

  }

  delay(50);

}

除了改變高低音調提醒使用者之外，也可以利用距離改變發出聲音的間隔，例如距離比較遠時就每次嗶聲之間間隔較久，而很接近時，發出的嗶聲音較為緊湊，例如：

tone(buzzer, 4186, CMValue);

也就是發出的聲音間隔剛好是距離，此時很靠近時就可以發出幾乎連續的嗶聲，這也是另外一種常見的方式。

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