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Arduino创客设计----机器人眼睛之超声波测距篇
一、教材分析
超声波指向性强，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。通过超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。根据接收器接到超声波时的时间差就可以知道距离了，这与蝙蝠、雷达测距原理相似。利用超声波测距往往比较迅速、方便、易于做到实时控制，因此在汽车倒车雷达、移动机器人上得到了广泛的应用。本节课就是利用超声波模块SR04测量和格挡物体之间的距离，并在串口中显示距离，当距离小于设定值时，报警灯闪烁。
二、学生分析
高中学生在物理课中学习过声波传播原理，知道声速是340M/S。因此，利用声波测距，测试距离=(返回时间*声速(340M/S))/2。高中学生也学习过简单的电学，对于一些简单的电路原理及连接还是有所了解的。但实际设计中的电子元件、电路连接等跟物理上所学的还是有一定的差距。而这节课使用的HC-SR04超声波模块控制原理简单、距离换算学生还是比较能掌握的。但对于新的知识如串口输出、根据元件时序图写程序、选择语句的程序代码等，都是学生没有接触的，如何让他们在短时间掌握这些知识，成为本节课设计的关键。因此，我在教学中尽可能把复杂问题简单化，通过学生自己摸索，教师参与的方式使学生掌握知识，提高对arduino设计的兴趣。
三、教学目标：
1、知识与技能：
（1）了解HC-SR04模块引脚含义。
（2）掌握超声波测距原理及距离换算的算法。
（3）掌握利用计算机串口显示距离的方法。
（4）学会识读元件时序图并写程序。
（5）掌握if判断语句的用法。
2、过程与方法：
鼓励学生自主探究和合作交流，引导学生自主观察、总结，在与他人的交流中丰富自己的思维方式，获得不同的体验和不同的发展。
3、情感态度价值观：
提高对生活中技术问题的敏感度和引发出探究欲望，并认识技术在日常生活中的应用。
五、教学重难点：
1、教学重点：
(1) 了解HC-SR04模块引脚含义。
(2) 掌握超声波测距原理及距离换算的算法。
(3) 掌握if判断语句的用法。
2、教学难点：
(1) 掌握超声波测距原理及距离换算的算法。
(2) 掌握if判断语句的用法。
（3）学会识读元件时序图并写程序。
六、教学过程
1、复习导入
展示一个智能小车行进过程的演示，提出超声波测距的概念。
任务：打开上节课所做的让一个灯闪烁程序，把原外接的Led的端口2改为Arduino板子13口自带的一个Led灯，下载程序，观看效果。
2、HC-SR04引脚介绍
3、超声波测距原理：
（1）采用 trig触发测距，给至少10us的高电平信号;
(2)模块自动发送 8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
(3)有信号返回，通过 echo输出高电平, 高电平持续的时间就是距离的2倍；
(4)超声波从发射到返回的时间．测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2
4、接线原理图
5、完整程序
#define TrigPin 2
#define EchoPin 3
#define Led 13
float Value_cm;
void setup()
{
Serial.begin(9600); //设定串口波特率为9600
pinMode(TrigPin, OUTPUT);
pinMode(EchoPin, INPUT);
pinMode(Led,OUTPUT);
}
void loop()
{
digitalWrite(TrigPin, LOW); //低高低电平发一个短时间脉冲去TrigPin
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(TrigPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(TrigPin, LOW);
Value_cm = float( pulseIn(EchoPin, HIGH) * 17 )/1000; //将回波时间换算成cm

Serial.print(Value_cm); //串口输出字符“Value_c”后不换行
Serial.println("cm"); //串口输出cm值
if(Value_cm < 10) //Value_cm值小于设定值，则让灯亮
{
digitalWrite(Led, HIGH);
delay(500);
digitalWrite(Led, LOW);
delay(500);
}
else
{
digitalWrite(Led,LOW); //关闭LED
}
delay(500);
}
七、新知识
（1）测距程序核心代码 pulseIn(pin, value) 函数：
读取一个引脚的脉冲（ HIGH或LOW）。例如，如果 value是HIGH，pulseIn()会等待引脚变为 HIGH，开始计时，再等待引脚变为 LOW并停止计时。返回脉冲的长度，单位微秒。
将回波时间换算成cm公式：
高电平的时间（us）* 340m/s / 2 =高电平的时间（us） * 17000 cm / 1000000 us =高电平的时间 * 17 / 1000 (cm) （1秒=1000毫秒=1000000微秒）。
Value_cm = float( pulseIn(EchoPin, HIGH) * 17 )/1000;
（2）串口相关操作
Serial.begin(9600); //设定串口波特率为9600
Serial.print(Value_cm); //串口输出字符“Value_cm”后不换行
Serial.println("cm"); //串口输出cm值后换行
（3）条件判断语句if和if…else
if和if…else可以根据不同的条件来执行不同的语句。
if(条件)
语句1
后续语句
if(条件)
语句1
else
语句2
后续语句
（4） delayMicrosecond函数
（5）数据类型float
具体参见开源知识库的网址：
http://kb.open.eefocus.com/index.php?title=Arduino_IDE
八、拓展思维：
1、这节课是利用超声波测距，如果距离小于设定值，则报警灯闪烁。倒车雷达大家都见过，可以根据车辆距离障碍物的距离不同发出不同的声音或控制刹车等，如果本例报警灯改成声、光报警，需要添加什么元件？
2、本节课只利用一个超声波传感器检测一个方向的距离，如果同时检测前、后、左、右四个方向障碍物的距离并设置报警方式，需要增加哪些元件，线路如何连接，程序应该如果写呢？
3、超声波测距在日常生活中应用很广，除了汽车雷达、导盲拐杖外，像现在用的比较多的扫地机器人、跟随宠物等，现在让你利用测距原理来设计一个可以跟随你走的背包机器人，应该如何设计？

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