如何使用Arduino測量距離
前言
有沒有想過停車傳感器是如何工作的，您的車怎么知道離撞墻有多遠？肯定見過機器人避開障礙物吧，想知道它們是如何發現障礙物的嗎？這些問題的答案都涉及到短程測距。在這個項目中，我們將使用Arduino UNO結合ROHM測距傳感器，測量15cm以內的木制目標的距離。
雖然這個項目看起來很簡單，但是傳感器并不能直接給出與目標之間的距離。這時，我們要用到光電晶體管，它根據與目標之間的距離輸出一定的電壓，需要將這個電壓轉換成距離。由于光電晶體管產生的電壓變化與距離不呈線性關系，這個方法的復雜程度增加了。這涉及一種稱為曲線擬合的方法，以從實驗數據中獲得盡可能最接近的方程。通過本項目可學習以下知識：
如何正確給LED供電：
概述
在這個DIY項目中，我們將開發一個電路，使用Arduino的數字引腳為測距傳感器的LED供電。LED發出的光將從木制目標反射，并被光電晶體管接收，光電晶體管將產生電壓信號，由Arduino中的模擬引腳讀取。由于電壓變化相對于距離變化不呈線性關系，在與目標不同距離處收集的數據將用于使用MATLAB生成控制方程。然后，將通過Arduino在代碼中使用該方程來測量距離。將按照以下順序介紹這個項目：
所需元器件:
- 電路原理圖
- 設置Arduino IDE
- 校準編程
- 使用MATLAB進行曲線擬合
- 最終編程
- 測試
所需元器件
| 元器件 | 鏈接/圖片 |
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ROHM測距傳感器 RPR-220PC30N |
https://www.digikey.com/products/en?keywords=RPR-220PC30N |
| 請注意，我在本文中使用的是發射紅光的RPR-220UC30N，而鏈接中是發射藍光的替代件RPR-220PC30N，功能是相同的，后者目前更容易買到 |
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| Arduino UNO R3 |
https://www.aliexpress.com/item/32981776049.html |
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USB B數據線 （通常隨Arduino UNO R3一起提供） |
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| 56kΩ和220Ω的電阻器 |
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| 400孔無焊面包板 |
https://www.aliexpress.com/item/32711841420.html  |
| 10根跳線 |
https://www.aliexpress.com/item/32951945552.html  |
電路原理圖
所有元器件都采購齊全后，第一步是把所有東西都連接起來。這個項目不需要很多元器件；只需要通過正確的電阻器將Arduino與ROHM RPR-220傳感器正確連接即可。實際上，為了使其成為便攜式系統，我們使用雙面膠帶將Arduino貼在面包板的背面，將ROHM傳感器貼在面包板的正面。ROHM傳感器引腳的定義如下所示：
連接示意圖如下所示：
實際接線如下所示：
設置Arduino IDE
Arduino編程需要設置Arduino IDE。Arduino IDE可在Linux和Windows上使用。對于這個DIY項目，我們將使用Windows桌面應用程序。訪問以下鏈接下載并安裝Arduino IDE：
Windows Installer，適用于Windows XP及更高版本
成功安裝后，打開Arduino IDE并使用USB B數據線連接Arduino UNO R3：在Arduino IDE中，從“工具”>“端口”>“COM 3 (Arduino Genuino / UNO)”中選擇適當的COM端口。這時，您已經完成設置，可以開始編程了。
校準編程
首先，開發程序，以獲取目標放在不同距離時的傳感器值。包含注釋的代碼如下所示：
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#define IR_LED_PIN 8 //Pin to light LED
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(IR_INPUT_PIN, INPUT);
pinMode(IR_LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop(){
int ambient = 0;
int lit = 0;
int value = 0;
digitalWrite(IR_LED_PIN, LOW); //Turning off LED to measure ambient light
digitalWrite(IR_LED_PIN, HIGH); //Turning on LED
delay(5);
lit = analogRead(IR_INPUT_PIN);//Measuring total reflected light on sensor
value = lit – ambient; //Removing ambient light value to calculate the net value of LED
Serial.print(“value = “);
Serial.println(value); //Printing final sensor value on serial monitor
delay(1000);
}
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完成上述代碼后，編譯并將其上傳到Arduino。如果所有接線正確，LED將會點亮。如下所示設置用于校準的儀器（將一個目標放在15cm的距離處，標尺放在下面）：
現在，在Arduino IDE中，打開“工具”>“串口監視器”。執行以下操作：
- 當目標放在15cm處時，檢查傳感器值。
- 當目標放在10cm處時，檢查傳感器值。
- 當目標放在5cm處時，檢查傳感器值。
- 當目標放在2cm處時，檢查傳感器值。
如上所述，由于目標的顏色、環境光和環境不同，這些值可能會有所不同。在本例中，距離為15、10、5和2cm處對應的值分別為15、30、97和487。
很明顯，這種關系不是線性的，我們需要一個方程來計算距離。這個方程將使用下面介紹的曲線擬合方法獲得。
使用MATLAB進行曲線擬合
打開MATLAB，如下所示寫入x和y坐標數據：
現在轉到應用程序中的曲線擬合。
擬合類型選擇冪函數。
記下方程和常數a和b的值。
最終編程
最終編程時，修改代碼以包括從曲線擬合獲得的方程，并刪除打印命令，但最終距離除外，這是必需的。由于已經使用曲線擬合找到了傳感器值與距離之間的關系，因此將聲明一個附加變量來存儲距離的大小。
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#define IR_INPUT_PIN A0 //Pin to read values from phototransistor
#define IR_LED_PIN 8 //Pin to light LED
double b= –0.585;
double dist;
void setup()
{
Serial.begin(9600);
pinMode(IR_INPUT_PIN, INPUT);
pinMode(IR_LED_PIN, OUTPUT);
}
void loop()
{
int ambient = 0;
int lit = 0;
int value = 0;
digitalWrite(IR_LED_PIN, LOW); //Turning off LED to measure ambient light
delay(5);//To give ADC and LED transition time
ambient = analogRead(IR_INPUT_PIN); //Saving value for ambient light
digitalWrite(IR_LED_PIN, HIGH); //Turning on LED
delay(5);
lit = analogRead(IR_INPUT_PIN);//Measuring total reflected light on sensor
value = lit – ambient; //Removing ambient light value to calculate the net value of LED
//Using power function and formulating equation generated by MATLAB
dist = pow(value,b);
dist = a*dist;
//Displaying the calculated distance
Serial.print(dist);
Serial.println(“ cm”);
}
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測試
測試時，使用相同的校準設置。
將最終代碼上傳到Arduino后，打開串口監視器。您將看到以厘米為單位的距離值。為了驗證測試，將屏幕上的值與地面上的標尺進行匹配。如果數值接近正確，您就成功應用曲線擬合方法進行了逼近。現在，您的系統可以可靠地計算不同場景中相似障礙物的距離。
工商網監
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