目录

1. 超声波模块的测距原理

2. 超声波模块如何与Arduino开发板连接

3. 先从测距开始

4. 如何将超声波改造成声控开关

5. 再加一个超声波开关

 

在本文最后有完整的视频讲解

玩Arduino、树莓派的同学应该很熟悉超声波模块，这个东西不贵（通常在5到10元之间），作用有限，在网上搜索，99%的应用场景都是测量距离。剩下的场景就是一些没什么用的小玩应，例如，将两个超声波模块相对，利用超声波玩悬浮，其实没啥大用。本文就给大家提供一个新的思路，只用10几行代码，就可以将超声波模块改成一个声控开关，用来控制LED以及任何复杂的电子设备。我还利用了这个功能制作了一个基于鸿蒙的“救命SOS”游戏，后面我会写文章来介绍，现在还是先回到本文的主题上来。

先来体验一下基于超声波模块的声控开关：

【Arduino实验室】超声波只能测距？隔空操控LED听说过吗？见证奇迹的时刻！

 

1. 超声波模块的测距原理

可能有的读者不太熟悉超声波模块，为了不让大家看的一头雾水，先来看一下超声波模块的样子，看起来很萌，有两个像眼睛一样的东西，还有4个针式的管脚。

当然，这个模块发出的超声波很弱，肯定不会像对付浩克那样强的超声波，否则我也不会有命在这里写文章了！

超声波模块测距的原理其实很简单，与测量地球到月亮的距离类似，只是前者使用的是超声波，后者使用的是激光。超声波模块利用了声波在空气中传播速度是340米/秒这一特性（这是一个固定值，就像光的传播速度约等于30万千米/秒一样），然后测量出从发出超声波到接收到返回超声波的时间（就是往返的时间），然后再除以2，就是超声波从A点到B点所需的时间，如果这个值是1000毫秒，那么A到B的距离就是340米，如果是100毫秒，就是34米，以此类推。当然，超声波与激光不同，距离不能太远，一般最多也就测量个几十米，再远可能就不准了。
 

超声波模块的两个像眼睛一样的东西，一个负责发射超声波，另外一个负责接收返回的超声波。一旦开始发射超声波，就自动启动计时器，接收到返回的超声波就会停止计时，然后通过相应的管脚读取计时器中的时间，经过计算，就可以得到特定单位（米、厘米、毫米）的距离了。下图是超声波发射和接收的时序图。最下面的输出回响信号的时序图凸起的部位，左边设置为高电平，这时等待超声波返回，当接收到返回的超声波后，右边就变成低电平，返回计时器的时间。其实我们需要的时间就是凸起的部位处于高电平的时间（也就是说，超声波模块的某个管脚处于高电平的时间）。

 

2. 超声波模块如何与Arduino开发板连接

一图顶千言，还是看图说话吧！

这是超声波模块与Arduino开发板的连接图，同时还有一个LED与Arduino开发板相连，其实这里的LED与超声波模块没有任何关系，只是通过由超声波模块改装的声控开关来控制LED。

超声波模块有如下4个管脚：

（1）VCC：接Arduino开发板的5v管脚

（2）Trig：发射超声波的管脚，需要接在数字管脚上，本例接在10号管脚，当10号管脚处于高电平时发射超声波

（3）Echo：接收超声波的关键，需要接在数字管脚上，本例接在9号管脚，当9号管脚处于高电平时，会等待超声波返回，如果接收到超声波，9号管脚就会自动变成低电平，这时会返回计时器中的时间（超声波的往返时间）

（4）GND：接Arduino开发板的GND管脚（接地）

LED很简单，正极接到7号数字管脚，负极接地（GND）

本例将5V接到了面包板上，所以可以将VCC直接接到面包板上。

如果大家不了解面包板的用法，可以看这个视频：

【Arduino实验室】无需编写一行代码，用按键控制LED，Arduino初学者入门首选

 

3. 先从测距开始

还是先上代码吧！

void loop() {
  digitalWrite(trigPin, LOW); 
  delayMicroseconds(5);
  // 发射超声波
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  // 这个distance就是距离，超声波返回时，pulseIn函数会返回计时器的时间，单位：微秒
  int distance = pulseIn(echoPin, HIGH) * 340 / 2 / 1000
  delay(40);
}

这段测距代码一共就6行，其实就是先设置trip管脚低电平，然后再设置高电平，让超声波模块发射超声波。然后通过pulseIn函数将echo管脚设置高电平，等待超声波的返回，如果返回，pulseIn函数会返回时间（单位：微秒），本例计算得到的distance的单位是毫米。

看看，是不是很简单呢？

4. 如何将超声波改造成声控开关

测距很容易理解，那么如果将超声波模块变成声控开关呢？其实也并不复杂，这里用了一个技巧和一个状态机的算法，一共也就十几行代码。

测量距离肯定有远近。如300毫米和600毫米肯定是有差距的，肉眼也是可见的，也可以感知到。而这里的声控开关，其实并不是你要大喊一声：芝麻开门。超声波你也发不出，也听不见。这里的声控是指让超声波感知你的存在。

从前面的视频可以看出，将手在超声波模块前滑动，如果手正好在超声波模块的前面，那么测量的距离肯定要小于手不在超声波模块前的距离，其实这就是一个二值逻辑。利用测量距离的变化，可以判断手是否在超声波模块的前面。因此，这里需要设置一个阈值，如果测量的距离小于这个阈值，说明手在超声波模块的前面，如果大于这个阈值，说明手没在超声波模块的前面。

不过这里还有一个问题，由于loop函数是不断循环的，所以如果你的手一直在超声波模块的前面，那么就会一直触发“开”这个动作，因此需要使用状态机来屏蔽这种情况，也就是说，只有上一个状态是“关”时，才会检测当前状态是否为“开”。完整的实现代码如下：

// 单超声波实现
#include <SoftwareSerial.h>
#define LED  7
int trigPin = 10;     // 发射管脚
int echoPin = 9;     // 接收管脚
int distance = 0;
int state = 0;        // 用于控制状态机的状态
bool led_state = false;  // false:灭  true：亮
void setup() {
  pinMode(LED, OUTPUT);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  digitalWrite(LED, LOW);
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
  }
  Serial.println("hello world!");
}

void loop() {
  digitalWrite(trigPin, LOW); 
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
  distance = pulseIn(echoPin, HIGH) * 340 / 2 / 1000;
  // 状态：关
  if (state == 0) {
    // 判断距离是否小于300毫米  
    if (distance < 300) { 
      state = 1;    // 如果小于300毫米，说明手正好在超声波模块起那么，将状态设置为开
    }
  } else if (state == 1) {   // 状态：开
    // 如果距离大于等于300毫米，说明手不在超声波模块前面，状态设置为关
    if (distance >= 300  ) {
      state = 0; 
       //  当手不在超声波模块前面时，根据LED当前的状态，决定是关闭LEd，还是点亮LED
      if(led_state) {              
        led_state = false;
        digitalWrite(LED, LOW);              
      } else {
        led_state = true;
        digitalWrite(LED, HIGH);
      }
    }
  }
  delay(40);

}

5. 再加一个超声波开关

如果嫌不过瘾，可以再加一个超声波开关，连接方式同上，控制两个超声波开关的代码如下：

#include <SoftwareSerial.h>

#define LED1  8
#define LED2  7
int trigPin1 = 10;     // 发射管脚
int echoPin1 = 9;      // 接收管脚
int trigPin2 = 13;     // 发射管脚
int echoPin2 = 12;      // 接收管脚

int distance = 0;
int state1 = 0;
int state2 = 0;
bool led_state1 = false;  // false:灭  true：亮
bool led_state2 = false;  // false:灭  true：亮
void setup() {
 
  pinMode(LED1, OUTPUT);
  pinMode(LED2, OUTPUT);
  
  pinMode(trigPin1, OUTPUT);
  pinMode(echoPin1, INPUT);
  pinMode(trigPin2, OUTPUT);
  pinMode(echoPin2, INPUT);  
  digitalWrite(LED1, LOW);
  digitalWrite(LED2, LOW);
  Serial.begin(9600);
  while (!Serial) {
  }
  Serial.println("hello world!");
}

void loop() {
  // 处理第1个超声波开关  
  digitalWrite(trigPin1, LOW); // 高电平发射超声波， 但要先设置为低电平。 就像打开灯，需要先关闭灯，才能打开
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(trigPin1, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
 
  distance = pulseIn(echoPin1, HIGH) * 340 / 2 / 1000;

  if (state1 == 0) {
    if (distance < 300) {
      state1 = 1;
    }
  } else if (state1 == 1) {
    if (distance > 300  ) {
      state1 = 0; 
      if(led_state1) {
        led_state1 = false;
        digitalWrite(LED1, LOW);
        
      } else {
        led_state1 = true;
        digitalWrite(LED1, HIGH);
      }
        
    }
  }
  // 处理第2个超声波开关
  digitalWrite(trigPin2, LOW); // 高电平发射超声波， 但要先设置为低电平。 就像打开灯，需要先关闭灯，才能打开
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(trigPin2, HIGH);
  delayMicroseconds(5);
 
  distance = pulseIn(echoPin2, HIGH) * 340 / 2 / 1000;

  if (state2 == 0) {
    if (distance < 300) {
      state2 = 1;
    }
  } else if (state2 == 1) {
    if (distance > 300  ) {
      state2 = 0; 
      if(led_state2) {
        led_state2 = false;
        digitalWrite(LED2, LOW);
        
      } else {
        led_state2 = true;
        digitalWrite(LED2, HIGH);
      }
        
    }
  }
  delay(40);

}

这段代码通过一个数字管脚控制多个LED，两个数字管脚控制两组LED。所以首先需要将面包板与数字管脚连接，然后这些LED连接到面包板上，如下图所示。ok，现在可以尽情滴玩耍了。

 

下面是本文的视频讲解：

【硬核】老程序员教你一招，让超声波模块秒变声控开关！