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tags: 單晶片助教
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# [6] Arduino講義:超音波&步進馬達
[ToC]

## 超音波感測器(Ultrasonic sensor)
* 超音波模組工作原理:

* 觸發 : 採用I/O觸發測距，給至少為 <font color="red">10uS</font> 的高電位信號。
* 發射 : 模組自動發送 8 個 40KHz 的方波，自動檢測是否有信號返回。
* 接收 : 有信號返回，通過模組之 I/O 輸出高電位，<font color="red">高電位持續的時間</font>就是超聲波 從發射到返回的時間。

* 距離計算 = (高電位時間 / 2) * 聲速 。
* 讀取高電位時間 : 使用 <font color="red">pulseIn( )</font> 此Function，單位為microsecond(µs)。
* Reference: [Arduino pulseln()](https://www.arduino.cc/en/Reference.PulseIn)
* 聲速 = 331.5 + 0.607 * t(攝氏溫度)。
Ex : 溫度為攝氏 20 度，則聲速為 331.5 + 0.607 * 20 = 343.64 m/s。
* 將聲速還算成 cm/µs => 343.64 * 100 / 1000000 = 0.034364 cm/µs。

* 超音波模組規格與腳位 :
* 電源需求 : DC 5V / 2mA
* 輸出電位( 1/ 0)：5V/ 0V
* 精度：3mm
* <font color="red">距離範圍：2 ~ 450cm</font>
* 有效的角度：<15℃

* 超音波使用須知
* 不可少於2公分
* 每次訊號間隔不可太短
* 待測物注意反射角度
* 待測物圓柱體時反射角度較廣

### Example

int trigPin = 12;                  //Trig Pin
int echoPin = 11;                  //Echo Pin
long duration, cm, inches;
 
void setup() {
  Serial.begin (9600);             // Serial Port begin
  pinMode(trigPin, OUTPUT);        // 定義輸入及輸出 
  pinMode(echoPin, INPUT);
}
 
void loop()
{
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(5);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);     // 給 Trig 高電位，持續 10微秒
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);

  pinMode(echoPin, INPUT);             // 讀取 echo 的電位
  duration = pulseIn(echoPin, HIGH);   // 收到高電位時的時間
 
  cm = (duration/2) / 29.1;         // 將時間換算成距離 cm 或 inch  
  inches = (duration/2) / 74; 

  Serial.print("Distance : ");  
  Serial.print(inches);
  Serial.print("in,   ");
  Serial.print(cm);
  Serial.print("cm");
  Serial.println();
  
  delay(250);
}

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## 步進馬達(Stepping motor)

* 步進馬達工作原理:
由電流通過線圈激磁後，使得線圈產生磁場(電磁鐵)吸引中間轉子磁鐵轉動，所以若要控制馬達旋轉，需控制好線圈的激磁順序。

* <font color="red">紅色線</font>：電源線供給馬達電力。
* <font color="blue">藍色線</font>：線圈。
* <font color="pink">粉色線</font>：線圈。
* <font color="FFDD00">黃色線</font>：線圈。
* <font color="Orange">橘色線</font>：線圈。

* 步進馬達規格 :

* 額定電壓：5 VDC
* 相數：4
* 變速比：64/1 圈 (輸入/輸出)
( 1 : 9，2 : 32/11，3 : 22/9，4 : 27/8，5 : 24 )(齒輪比)
* 步進角度：5.625度

藉由以上數據可得知
輸出的轉速(度) = 主軸轉速(度) x 9/32 x 11/22 x 9/27 x 8/24 = 主軸轉速(度) x 1/64

假設馬達步進角為5.625度 x 1/64 = 0.087890625度
所以若要轉一圈，則需360/0.087890625 = 4096步

經過角度與步數的運算，馬達就可以依需求來做控制。

* 步進馬達控制方法 :
* 單相激磁(優點：省電，缺點：力矩小)


* 二相激磁(優點：力矩大，缺點：耗電)


* 一二相激磁(優點：省電，缺點：力矩小)


<font color="blue">hint</font> : 一二相與單相二相差異點為輸出所需的步數，假設一二相所需一圈為4096步，那單相與二相就只需2048步，由此可知，一二相可做到較精準的角度控制。

* ULN2003A驅動IC :
此IC特點在於，透過控制數位訊號來控制哪個輸出接腳要接地。

### Example

//單相激磁
int t= 10;  //換相所需的時間
void setup() { 
pinMode(8,OUTPUT); 
pinMode(9,OUTPUT); 
pinMode(10,OUTPUT); 
pinMode(11,OUTPUT); }  
void loop() { 
digitalWrite(8,1); 
digitalWrite(9,0); 
digitalWrite(10,0); 
digitalWrite(11,0); 
delay(t);  
digitalWrite(8,0); 
digitalWrite(9,1); 
digitalWrite(10,0); 
digitalWrite(11,0); 
delay(t);  digitalWrite(8,0); 
digitalWrite(9,0); 
digitalWrite(10,1); 
digitalWrite(11,0); 
delay(t);  
digitalWrite(8,0); 
digitalWrite(9,0); 
digitalWrite(10,0); 
digitalWrite(11,1); 
delay(t);  }

### Lab1 - 超聲波測距器
#### 實作說明:

* 實作目的 : 學習使用超聲波模組。

* 實作範例 : 使用超聲波模組搭配 LCD 顯示器與LED燈，當物體在 20 公分內時，LCD第一行顯示自己學號，第二行顯示"Distance : xx cm"，超過 20 公分，則顯示"Out of Distance"，LED部分隨著距離越來越近閃爍越來越快，5 cm以下恆亮。

<font color="red">需注意</font> : 距離更新時不能有上次的殘值，且cm必須顯示在最左下角(請參考實作結果圖)
* 實作電路圖 :


* 實作腳位配置 :

| HC-SR04 | Arduino | LCM 1602 |Arduino|
| -------- | -------- | -------- | -------- |
| Vcc | 5V | GND | GND |
| Trig | Pin12(可自行決定) | Vcc | 5V |
| Echo | Pin11(可自行決定) | SDA | A4 |
| Gnd | GND | SCL | A5 |

* 實作結果圖 :


* 實作影片 :

<iframe width="944" height="540" src="https://www.youtube.com/embed/nXZL98UFn6A" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

### Lab2 - 測距控制步進馬達轉動
#### 實作說明:
* 實作目的 : 學習控制步進馬達轉動。
* 實作範例 : 使用超聲波模組搭配步進馬達，當物體在 10 公分內時，馬達順時針旋轉，當物體在 15 公分外時，馬達逆時針旋轉，當物體恰於 10至15 公分時，馬達停止旋轉。

<font color="blue">hint</font> : 可用監控視窗檢測距離。

* 實作影片 :

<iframe width="678" height="480" src="https://www.youtube.com/embed/bQgpPqJdu9Y" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

### Lab3 - 步進馬達角度控制

#### 實作說明:
* 實作目的 : 學習控制步進馬達轉動角度。

* 實作範例 : 使用步進馬達搭配 LCD 顯示器與按鈕。
按鈕A：按1下時，馬達順轉90度；長按時（約3秒），馬達順轉360度。
按鈕B：按1下時，馬達逆轉180度；長按時（約3秒），馬達逆轉120度。
LCD第一行顯示自己學號，第二行顯示"Steps : 步數"。

<font color="red">需注意</font> : 必須確實計算所需角度得步數

* 實作影片 :
<iframe width="1280" height="720" src="https://www.youtube.com/embed/2QvI0pDkVP8" title="YouTube video player" frameborder="0" allow="accelerometer; autoplay; clipboard-write; encrypted-media; gyroscope; picture-in-picture" allowfullscreen></iframe>

### bonus - 單按鈕控制步進馬達
#### 實作說明:

* 實作目的 : 學習更加進階之步進馬達控制。

* 實作範例 : 利用按鈕控制步進馬達旋轉角度。
按1下：馬達旋轉90度
快速按2下：馬達旋轉120度
快速按3下：馬達旋轉180度
長按（約3秒）：馬達旋轉360度

## 課後問題 (三題)
:::info
* Q1.詳述 超聲波模組感測原理。
* Q2.詳述 步進馬達動作原理。
* Q3.詳述 步進馬達會因程式內容導致轉速變慢，此問題該如何處理。
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