任務(wù)六超聲波傳感器的安裝與調(diào)試【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．了解超聲波傳感器的常見類型、工作原理等。2．能正確連接、安裝超聲波傳感器。3．能使用物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)軟件開發(fā)平臺獲取超聲波傳感器返回的數(shù)據(jù)。4．強化空間感知能力，培養(yǎng)耐心細(xì)致的調(diào)試習(xí)慣和誤差分析思維?！救蝿?wù)情景】為了使司機在倒車時能準(zhǔn)確地判斷車輛與車輛后方障礙物的距離，計劃為汽車加裝一個測距儀。在本任務(wù)中，請使用超聲波傳感器來制作一個測距儀。【任務(wù)分析】測距儀的主要功能是探測車輛后方障礙物與車輛的距離，要實現(xiàn)這一功能，有許多方法如紅外測距、激光測距和超聲波測距。在這些方法中，紅外測距精度低，距離近，方向性差；激光測距對光學(xué)系統(tǒng)的潔凈度要求較高，潔凈度較低則測量效果較差，不具備在車輛上使用的條件。因此，測距儀大多使用超聲波測距。在本任務(wù)中，將使用物聯(lián)網(wǎng)套件的超聲波模塊來構(gòu)建一個簡單的測距儀。根據(jù)任務(wù)的要求分析，本任務(wù)需要使用超聲波傳感器、ArduinoMega2560開發(fā)板等設(shè)備?！鞠嚓P(guān)知識】一、超聲波傳感器簡介二、超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)三、超聲波傳感器的工作原理四、超聲波傳感器的應(yīng)用一、超聲波傳感器簡介超聲波傳感器是一種利用超聲波進(jìn)行測量的傳感器，超聲波傳感器可以根據(jù)工作原理、應(yīng)用領(lǐng)域和結(jié)構(gòu)等進(jìn)行分類。以下是6種常見的超聲波傳感器。（1）距離測量傳感器：距離測量傳感器也稱為測距傳感器。這是十分常見和廣泛應(yīng)用的超聲波傳感器。（2）障礙物檢測傳感器：這種傳感器用于檢測障礙物，避免與障礙物碰撞。障礙物檢測傳感器通常使用多個發(fā)射器和接收器，以便在不同方向上進(jìn)行檢測。（3）流量傳感器：這種傳感器用于測量液體或氣體的流量。流量傳感器通常將超聲波傳播到流體中，并通過測量波速的變化來計算流體的流速和流量。（4）圖像傳感器：這種傳感器結(jié)合超聲波和圖像處理技術(shù)，可以提供更為詳細(xì)和準(zhǔn)確的圖像信息。（5）液位傳感器：這種傳感器可用于測量容器或槽中液體的液位。（6）聲吶傳感器：聲吶傳感器是一種特殊的超聲波傳感器，主要用于水下探測。聲吶傳感器通過發(fā)射超聲波脈沖并接收回波來測量水下物體的距離、位置和形狀。超聲波傳感器二、超聲波傳感器的結(jié)構(gòu)超聲波傳感器通常包括以下7個組成部分。（1）發(fā)射器（傳輸器）：發(fā)射器是超聲波傳感器的一個重要部分，可用于產(chǎn)生超聲波信號。發(fā)射器通常采用壓電材料。當(dāng)施加電壓時，壓電材料會發(fā)生形變，從而產(chǎn)生超聲波信號。（2）接收器：接收器用于接收從目標(biāo)物體反射回來的超聲波信號。接收器通常也采用壓電材料，其能夠?qū)⒔邮盏某暡ㄐ盘栟D(zhuǎn)換為電信號。（3）控制電路：控制電路是超聲波傳感器的核心部分，負(fù)責(zé)控制發(fā)射器的工作時間和接收器的工作模式?？刂齐娐房梢酝ㄟ^定時器和觸發(fā)器來精確控制超聲波的發(fā)射和接收過程。（4）濾波器：濾波器用于對接收的超聲波信號進(jìn)行過濾和處理，以去除干擾信號和噪聲，提取目標(biāo)物體的有效信號。（5）放大器：放大器用于增強接收的超聲波信號的強度，以便后續(xù)進(jìn)行信號處理和分析。（6）距離計算器：距離計算器用于計算目標(biāo)物體與傳感器之間的距離。距離計算器可以根據(jù)超聲波的傳播速度和往返時間來計算距離。（7）外殼：超聲波傳感器通常具有一個外殼，用于保護(hù)內(nèi)部組件，提供便于安裝和固定的結(jié)構(gòu)。

三、超聲波傳感器的工作原理超聲波傳感器的工作原理，如圖2-49所示。超聲波傳感器會發(fā)射一段高頻率的超聲波信號，其以聲速在空氣中傳播，遇到物體后會被反射回來。超聲波傳感器接收反射的超聲波信號后，通過計算超聲波往返的時間差來確定物體與傳感器之間的距離。超聲波傳感器通常使用的聲波頻率范圍為20kHz～200kHz，一般的超聲波傳感器可以探測到距離1cm～5m的物體。需要注意的是，在使用超聲波傳感器進(jìn)行測量時，要考慮超聲波傳感器的探測范圍、探測角度和反射表面等因素的影響，以確保測量的準(zhǔn)確性。超聲波傳感器的工作原理四、超聲波傳感器的應(yīng)用超聲波傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域較為廣泛，主要包括以下幾個方面。（1）工業(yè)自動化領(lǐng)域：超聲波傳感器可用于自動化生產(chǎn)線等領(lǐng)域，實現(xiàn)對物體位置、距離、厚度等參數(shù)的測量和控制。（2）智能家居領(lǐng)域：超聲波傳感器可用于智能家居設(shè)備，如自動門、智能家電等，實現(xiàn)對人員、物品等的距離測量和控制。（3）機器人領(lǐng)域：超聲波傳感器可用于機器人的距離檢測和避障，提高機器人的運動精度和安全性。（4）汽車領(lǐng)域：超聲波傳感器可用于汽車的倒車?yán)走_(dá)、自動泊車等系統(tǒng)，實現(xiàn)對車輛周圍環(huán)境的檢測和控制，提高駕駛的安全性。（5）醫(yī)療領(lǐng)域：超聲波傳感器可用于醫(yī)療設(shè)備，如超聲波探頭等，實現(xiàn)對人體內(nèi)部結(jié)構(gòu)的檢測?！炯寄苡?xùn)練】活動一

組裝設(shè)備活動二

編寫圖形程序活動三

解讀程序代碼活動四上傳與調(diào)試程序活動一組裝設(shè)備一、梳理設(shè)備控制的邏輯關(guān)系本任務(wù)使用超聲波傳感器，將檢測到的距離信號發(fā)送給ArduinoMega2560開發(fā)板。測距儀的設(shè)備控制邏輯關(guān)系如下圖所示各硬件之間的關(guān)系活動一組裝設(shè)備二、組裝硬件設(shè)備1．識讀引腳標(biāo)志仔細(xì)觀察各硬件模塊的引腳標(biāo)志，并準(zhǔn)確理解各個標(biāo)志的含義。（1）VCC引腳：供電正極，連接電源的正極，電源電壓通常為3.3V或5V。（2）GND引腳：接地引腳，連接電源的負(fù)極和系統(tǒng)的地線。（3）TRIG引腳：觸發(fā)引腳，用于發(fā)送啟動超聲波傳感器測量的觸發(fā)信號。給該引腳提供高電平或脈沖信號，就能觸發(fā)超聲波傳感器執(zhí)行測量操作。（4）ECHO引腳：回響引腳，用于接收回響信號。當(dāng)超聲波傳感器收到反射的超聲波時，該引腳會輸出一個高電平脈沖信號，脈沖寬度與測量距離成正比。測距儀的設(shè)備連接效果2．連接引腳（1）將超聲波傳感器的VCC引腳接到Arduino開發(fā)板的3.3V或5V引腳上。（2）將超聲波傳感器的GND引腳與Arduino開發(fā)板的GND引腳相連。（3）將超聲波傳感器的TRIG引腳與數(shù)字引腳2相連，將ECHO引腳與數(shù)字引腳3相連?；顒右唤M裝設(shè)備三、組裝設(shè)備的注意事項如下。（1）超聲波傳感器的TRIG、ECHO引腳傳輸?shù)氖菙?shù)字信號，因此需要接在Arduino開發(fā)板的DIGITAL區(qū)域的端口上。（2）超聲波傳感器的VCC引腳是供電電源的輸入端，可以接3.3V電壓，也可以接5V電壓。（3）連接線上的引腳較尖銳，在操作過程中要注意安全?；顒佣帉憟D形程序一、分析程序流程（1）添加超聲波傳感器。（2）由于超聲波傳感器是一個數(shù)字傳感器，數(shù)字引腳PWM2向超聲波傳感器的TRIG引腳發(fā)送高電平，觸發(fā)超聲波發(fā)送，并由Arduino開發(fā)板記錄下發(fā)送時間；數(shù)字引腳PWM3接收遇到障礙物反射回的超聲波，并記錄下接收時間；最后由Arduino開發(fā)板根據(jù)TRIG引腳和ECHO引腳信號的時間差及聲速計算出障礙物的距離。（3）Arduino開發(fā)板已經(jīng)封裝好了一個測距的功能模塊。我們可以直接調(diào)用這個功能模塊，并按照硬件連線設(shè)置好TRIG引腳和ECHO引腳，這樣就能直接獲取超聲波傳感器測量的距離數(shù)值?；顒佣帉憟D形程序二、搭建程序積木測距儀的程序完整流程活動三解讀程序代碼一、查看Mind+軟件自動生成的代碼通過活動二搭建好了程序積木框架，為了更好地理解程序的運行邏輯，還需要對Mind+軟件自動生成的ArduinoC語言的代碼進(jìn)行解讀，以提高物聯(lián)網(wǎng)系統(tǒng)編程能力?？梢园匆韵虏僮?，查看Mind+軟件根據(jù)程序積木自動生成的ArduinoC語言的代碼（Mind+軟件會自動修改變量名、添加注釋）。測距儀的ArduinoC語言的代碼（1）單擊Mind+軟件右上角的“代碼區(qū)”按鈕。（2）單擊“自動生成”選項卡，就能查看Mind+軟件根據(jù)主窗口的程序積木框架自動生成的ArduinoC語言的代碼。活動三解讀程序代碼二、代碼解析代碼含義#include<DFRobot_URM10.h>這行代碼引入了一個名為DFRobot_URM10的庫Stringmind_s_distance;這行代碼只定義了一個動態(tài)變量mind_s_distance，這是一個字符串類型的全局變量，用于存儲要輸出到串口的結(jié)果DFRobot_URM10urm10;使用DFRobot_URM10urm10;創(chuàng)建了一個名為urm10的URM10超聲波傳感器對象mind_s_distance=(String((urm10.getDistanceCM(2,3)))+String(“厘米”));使用urm10對象的getDistanceCM()方法獲取超聲波傳感器的測量值（以“厘米”為單位），將其與單位一起構(gòu)成一個字符串，然后存儲在mind_s_distance變量中Serial.println((String(“前方障礙物距離：”)+String(mind_s_distance)));構(gòu)建一個包含前綴信息和距離值的字符串，然后將其通過串口發(fā)送給計算機。這將在串口調(diào)試窗口中顯示前方障礙物的距離

delay(1000);延遲1s，以便每隔一段時間重新獲取并顯示距離值活動四上傳與調(diào)試程序一、連接設(shè)備在Mind+軟件中選擇“上傳模式”，使用USB連接線將ArduinoMega2560開發(fā)板連接到計算機上，并單擊“連接設(shè)備”下拉按鈕，單擊相應(yīng)的設(shè)備進(jìn)行連接。如果沒有出現(xiàn)設(shè)備，則單擊“一鍵安裝串口驅(qū)動”后再嘗試。二、上傳程序在Mind+軟件中單擊右上角的“上傳到設(shè)備”按鈕，完成程序的上傳。三、檢查運行效果在Mind+軟件中單擊右下方的“打開串口”按鈕，打開串口后，測試者可以用手在傳感器前方移動，觀察移動時，右下方的串口調(diào)試窗口中是否正常輸出傳感器與手的距離值。 測距儀的實物連接及運行效果【任務(wù)評價】序號主要內(nèi)容評價標(biāo)準(zhǔn)分值/分得分/分1超聲波傳感器的常見類型及工作原理能正確說出超聲波傳感器的常見類型及工作原理10

2超聲波傳感器的識別能快速、準(zhǔn)確地從物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)套件中找出超聲波傳感器10

3超聲波傳感器引腳的識別能準(zhǔn)確說出超聲波傳感器引腳標(biāo)志的含義10

4超聲波傳感器的組裝能根據(jù)設(shè)備連接圖快速組裝電路10

5超聲波傳感器的調(diào)試能根據(jù)需求，正確搭建和配置Mind+軟件10

能使用Mind+軟件，利用程序積木正確編寫功能程序10

能正確運行程序，使運行結(jié)果與功能需求一致10

6職業(yè)素養(yǎng)實驗中，操作要安全、規(guī)范。完成實驗后，應(yīng)將相關(guān)元器件、模塊等收納整齊，保持實驗桌面干凈、整潔10

7學(xué)習(xí)態(tài)度能主動參與課堂討論和實踐活動，積極尋求解決問題的方法10

能按時完成學(xué)習(xí)及工作任務(wù)10

總計100

【拓展學(xué)習(xí)】測距傳感器測距傳感器超聲波傳感器激光測距傳感器紅外線測距傳感器2.4GHz雷達(dá)傳感器?！舅伎寂c練習(xí)】1．超聲波傳感器測距的工作原理是什么？2．參考本任務(wù)，請設(shè)計一個預(yù)防近視的坐姿提示器，并使用超聲波傳感器作為測距元器件，當(dāng)使用者的頭與桌面的距離小于20cm時，通過串口輸出“坐姿不正確，請把頭抬高”的提示。任務(wù)一物聯(lián)網(wǎng)燈光控制模塊的安裝與調(diào)試【學(xué)習(xí)目標(biāo)】1．了解RGB彩燈模塊引腳標(biāo)志的含義。2．理解RGB彩燈模塊的燈光顏色的呈現(xiàn)原理。3．能根據(jù)電路圖完成實物電路的裝配。4．能獨立完成積木程序的搭建、上傳與調(diào)試。5．培養(yǎng)科技創(chuàng)新意識與社會責(zé)任感?！救蝿?wù)情景】某LED燈公司計劃設(shè)計一款新型的流水燈，請使用Arduino開發(fā)板和RGB彩燈模塊進(jìn)行產(chǎn)品的原型設(shè)計，要求該產(chǎn)品能夠?qū)崿F(xiàn)7種顏色的燈輪流閃爍的效果。【任務(wù)分析】本任務(wù)將設(shè)計一款流水燈，它的常見效果是一組LED燈按照一定的次序輪流閃爍。在配套的硬件模塊中，有兩種不同的RGB彩燈模塊，一種模塊上帶有1個LED燈，另一種模塊上帶有8個LED燈。為方便區(qū)別它們，我們將這兩種不同的RGB彩燈模塊分別稱為單燈RGB彩燈模塊和多燈RGB彩燈模塊，如圖3-1、圖3-2所示。本任務(wù)，我們將使用多燈RGB彩燈模塊實現(xiàn)流水燈效果?！鞠嚓P(guān)知識】一、RGB彩燈模塊簡介二、RGB彩燈模塊燈光混色原理三、RGB彩燈模塊亮度控制技術(shù)一、RGB彩燈模塊簡介RGB彩燈模塊廣泛應(yīng)用于設(shè)備指示燈、家居系統(tǒng)和舞臺燈光等不同場景。單燈RGB彩燈模塊是一種用于顯示彩色燈光的硬件設(shè)備，其引腳如圖3-3所示。單燈RGB彩燈模塊的中心有3個相互獨立的LED燈，能分別發(fā)出紅色、綠色、藍(lán)色的光。通過調(diào)節(jié)這3個LED燈的亮度，可以組合出不同顏色的燈光。單燈RGB彩燈模塊的頂端有標(biāo)有B+、R+、G+的引腳，分別用來控制藍(lán)燈、紅燈和綠燈。單燈RGB彩燈模塊的4個角上有4個圓形的孔，分別標(biāo)有“GND”“Blue”“Red”“Green”。單燈RGB彩燈模塊的左側(cè)有4個金屬片，它們是模塊對外開放的引腳，用于提供不同類型的接入方式，增加模塊的通用性。多燈RGB彩燈模塊的引腳與單燈RGB彩燈模塊的引腳有所不同，如圖3-4所示。多燈RGB彩燈模塊共有4個引腳，其中，VCC為電源引腳，表示該模塊的電源的正極，電壓為5V或3.3V；GND表示接地引腳，也就是接入電源的負(fù)極，可以使用Arduino開發(fā)板上的電源引腳為模塊供電，也可以使用其他電源；NC表示空引腳，沒有定義任何功能；RGB引腳用于控制8個RGB彩燈的顏色。圖3-3單燈RGB彩燈模塊引腳圖3-4多燈RGB彩燈模塊引腳二、RGB彩燈模塊燈光混色原理RGB彩燈模塊能產(chǎn)生不同顏色的燈光，其基本原理是混色原理。混色有加法混色和減法混色兩種方式。1．加法混色加法混色是指將不同顏色的光線疊加在一起，形成新的顏色。在加法混色中，不同顏色的光疊加，可以產(chǎn)生其他不同的顏色，例如，紅色+綠色=黃色，紅色+藍(lán)色=紫色，綠色+藍(lán)色=青色。當(dāng)紅色、綠色和藍(lán)色3種主要的光以相等的強度疊加在一起時，它們會產(chǎn)生白色光。加法混色效果如圖3-5所示。加法混色在彩色顯示器、彩色LED燈等設(shè)備中廣泛應(yīng)用。2．減法混色減法混色是指通過光的吸收和反射來產(chǎn)生新顏色。在減法混色中，當(dāng)兩種顏色混合在一起時，它們會吸收某些波長的光，反射其他波長的光。例如，當(dāng)青色和黃色混合在一起時，青色吸收紅色光，黃色吸收藍(lán)色光，它們共同反射綠色光，從而呈現(xiàn)出綠色。減法混色在印刷、繪畫和顏料混合中起著重要的作用。通過調(diào)整不同顏料的混合比例，可以得到不同的顏色效果。

圖3-5加法混色效果三、RGB彩燈模塊亮度控制技術(shù)RGB彩燈模塊亮度控制一般采用PWM技術(shù)，它是一種常用的電子調(diào)節(jié)技術(shù)，用于控制電子系統(tǒng)中的電壓或電流，通過調(diào)整信號的脈沖寬度來控制輸出信號的平均功率或能量。要理解LED燈的亮度控制，先要認(rèn)識一下PWM的信號波形。PWM信號是一種方波，波形如圖3-6所示，看起來像長城的城墻，凸起的部分代表高電平，凹下的部分代表低電平。從圖3-6可以看出，4條波形的周期是相同的，只是高電平在一個周期內(nèi)的占比不同，高電平在一個周期內(nèi)的占比被稱為占空比。圖3-6中占空比從上到下依次變大。在調(diào)光應(yīng)用中，首先需要選擇一個適當(dāng)?shù)念l率，頻率范圍為幾十赫茲到幾千赫茲，以確保人眼無法察覺到脈沖的閃爍；再使用控制器或微處理器來產(chǎn)生特定頻率的PWM信號，調(diào)整PWM信號的占空比來控制LED燈的亮度；最后通過適當(dāng)?shù)尿?qū)動電路將PWM信號作用于LED燈。通過快速調(diào)整高電平或低電平的持續(xù)時間，LED

燈會以平均亮度呈現(xiàn)出不同的亮度級別。由于人眼具有視覺暫留效應(yīng)，LED

燈的亮度看起來是連續(xù)變化的，而不是閃爍的。PWM技術(shù)在調(diào)光應(yīng)用中的優(yōu)點包括高效、精確、無噪聲和無閃爍等，其廣泛應(yīng)用于LED照明系統(tǒng)、顯示屏、舞臺燈光和汽車照明等領(lǐng)域。圖3-6PWM的信號波形【技能訓(xùn)練】根據(jù)前面的分析，從物聯(lián)網(wǎng)實訓(xùn)套件中找出本任務(wù)所需的硬件設(shè)備，硬件設(shè)備清單如表

3-1所示?；顒右唤M裝設(shè)備活動二編寫圖形程序活動三解讀程序代碼活動四上傳與調(diào)試程序活動一組裝設(shè)備一、梳理設(shè)備控制的邏輯關(guān)系本任務(wù)涉及的模塊較少，除了ArduinoMega2560開發(fā)板外，僅需要一個多燈RGB彩燈模塊。流水燈工作時，ArduinoMega2560開發(fā)板向多燈RGB彩燈模塊發(fā)送PWM信號，用來控制多燈RGB彩燈模塊。流水燈的設(shè)備控制邏輯關(guān)系如圖3-7所示。圖3-7流水燈的設(shè)備控制邏輯關(guān)系活動一組裝設(shè)備二、組裝硬件設(shè)備1．識讀引腳標(biāo)志仔細(xì)觀察各硬件設(shè)備的引腳標(biāo)志，明確各標(biāo)志的含義。本任務(wù)使用的是多燈RGB彩燈模塊，該模塊有4個引腳，分別如下。（1）VCC引腳是電源引腳，用于連接電源，為模塊提供工作電壓。（2）GND引腳是接地引腳，用于接地，以確保模塊安全工作。多燈RGB彩燈模塊需要用到PWM功能，因此需要將GND引腳連接到Arduino開發(fā)板的接地引腳上，以形成電路回路。（3）NC引腳是空引腳，通常是預(yù)留的引腳，用于未來擴(kuò)展或定制使用。（4）RGB引腳用于控制燈光的顏色和亮度。活動一組裝設(shè)備二、組裝硬件設(shè)備2．連接引腳按如下步驟連接引腳。（1）將多燈RGB彩燈模塊的VCC引腳接到Arduino開發(fā)板的3.3V引腳上。（2）將多燈RGB彩燈模塊的GND引腳接到Arduino開發(fā)板的GND引腳上。（3）多燈RGB彩燈模塊的NC引腳不用連接任何引腳。（4）將多燈RGB彩燈模塊的RGB引腳接到Arduino開發(fā)板的AI引腳上?？砂凑毡?-2所示內(nèi)容進(jìn)行硬件連接。連接后的效果如圖3-8所示。活動二編寫圖形程序一、分析程序流程下面講解一下本程序的設(shè)計思路。（1）對流水燈進(jìn)行初始化。初始化時確定流水燈中燈的數(shù)量及其使用的引腳。（2）在程序的主循環(huán)體內(nèi)設(shè)置8個燈依次閃爍。每個燈閃爍過程的順序是開燈、延時、關(guān)閉所有燈。這個順序也可以調(diào)整為關(guān)閉所有燈、開燈、延時。具體程序流程如圖3-9所示。 圖3-9流水燈的程序流程圖活動二編寫圖形程序二、搭建積木程序分析完程序的流程后，利用Mind+軟件搭建積木程序。（1）打開Mind+軟件，在軟件的左下角單擊“擴(kuò)展”按鈕，添加ArduinoMega2560開發(fā)板。（2）單擊“擴(kuò)展”→“用戶庫”→“導(dǎo)入用戶庫”，在配套素材中，找到文件waterlamp.mpext，將該文件添加到用戶庫中，如圖3-10所示。圖3-10導(dǎo)入擴(kuò)展文件活動二編寫圖形程序二、搭建積木程序分析完程序的流程后，利用Mind+軟件搭建積木程序。（3）添加開發(fā)板和擴(kuò)展文件后就可以進(jìn)行程序的搭建，