【物联网】老程序教你一招，10行代码让超声波模块秒变声控开关
完整的视频讲解在本文最后！
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。
先体验下基于超声波模块的声控开关：
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。
不了解面包板的同学，可以看下面的视频：
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。
完整的视频讲解：
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