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超音波與蜂鳴器：倒車雷達
現在的汽車大部分都有配備倒車雷達，就是倒車時，會依據車子與障礙物之間的距離發出不同頻率的嗶嗶聲，用來指引駕駛避免撞到別人的車子，而這套倒車雷達我們也可以使用ESP32來實做。本章分成兩個部份，第一節我們先來了解超音波測距的原理，第二節再實做蜂鳴器與倒車雷達。
超音波距離感測
爬山時，如果我們對著遠處的山頭大喊「你好」，過了幾秒就會聽到有人也對你喊著「你好」，筆者小時候一直以為是對面的登山客跟你在打招呼，後來才知道這叫做回音。
圖 回音的原理
那麼回音與超音波距離感測器有什麼關係呢？
所謂的回音就是聲音傳遞路徑上有障礙物時，聲音就會反彈到原來發出聲音的人，而聲音在空氣中傳遞的速度約340公尺/秒，因此若我們計算發出(trigger)時間與聽到回音(echo)的時間差，就可以大致推算出發聲者與障礙物之間的距離了，我們可以將公式表示為：
距離(m)=（時間(s) x 340） / 2
數字340是音速，而要除2則是因為聲音去一次、回一次，一共跑了兩次所以要除2，而這也就是後來在二次大戰中廣泛使用的雷達的原理，不同的地方是雷達用的是電磁波，而我們在本次實驗用是超音波（Ultrasound）模組，所謂的「超」音波是指「超出人類可以聽到的聲音頻率」，一般人類的耳朵可以聽到的聲音頻率是在16Hz~20KHz之間，而超音波測距模組則設計使用20KHz以上的頻率，目的是不要在測距時發出惱人的噪音，也因為這樣這個測量距離的模組就稱為超音波測距模組，市面上常見的型號是HC-SR04如下圖。
圖 HC-SR04超音波模組
超音波感測器有兩個大大的「眼睛」，很多機器人或小車結構都會利用這個感測器做避障功能，不過其實與其說是眼睛，不如說是「耳朵」，左下角標示的「T」是TX的意思，代表左邊的孔負責傳送(Transport)超音波，而右下角標示「R」是RX代表右側的耳朵負責接收（Receive）超音波回音，也就是左側是嘴巴負責發出聲音，而右側是耳朵負責聽回音，兩者缺一不可。
下方四個腳位則依序為VCC、Trig、Echo、GND，其中Trig代表嘴巴，決定何時發出聲音，Echo則代表耳朵，用來計算聽到回音的時間，再透過公式就可以計算距離了，而VCC與GND則與以往相同，接在5V及GND腳位，這裡說明一下目前超音波有多個版本，有少數版本僅能使用5V，而大多數是5V、3.3V都可用，因此個人建議接在5V的位置。
另外一個要注意的地方是超音波感測器可量測的範圍約在2cm~500cm之間，低於2cm則無法感測，超過500cm則會相當不準確，還有就是如果現場有多個超音波感測器同時作用，則會造成聲波之間的互相干擾，因此不要讓多個超音波同時進行測距。
本節我們就使用超音波感測器來製作倒車雷達，也就是說，利用超音波測量距離，並利用蜂鳴器發出聲音來指引駕駛，讓駕駛知道車子與障礙物之間的距離。不過我們先分別測試超音波與蜂鳴器是否正常，然後再將功能合併。
一、超音波測量距離
本部份我們先展示如何使用超音波模組進行距離測量，接線部份請參考圖
超音波距離測量
除了VCC、GND之外，我們將Trig接在GPIO12（麵包版左側7），而Echo接在GPIO14（麵包版左側8），程式的概念則是在Trig發出一小段音波後，就在Echo等候回音回傳，若收到回音，則Echo腳位會發出高電位，因此我們測量Echo轉成高電位的時間，最後再利用公式換算即可。
本案例有兩個新的語法，delayMicroseconds及pulseIn，分別介紹如下：
- 暫停n微秒：delayMicroseconds(n);
之前我們常用的暫停是delay(1000)，在delay內的數字是毫秒ms(MilliSeconds)，也就是1/1000秒，因此delay(1000)是暫停1秒，但是若我們需要暫停時間比1/1000還小時，就要改用delayMicroseconds(n)，而內部數字n代表的是微秒（百萬分之一秒），通常用來進行更精確測量，例如本次使用超音波測距，常溫下音速每秒約340公尺，若使用1/1000秒，誤差將會超過30cm，因此須改用百萬分之一秒為單位進行測量。範例：
delayMicroseconds(5);//暫停百萬分之5秒=5微秒
- 計算腳位的收到符合電壓的時間差：pulseIn(腳位,電壓);
pulseIn就是用來計算時間，例如說當程式執行到pulseIn(14, HIGH);時，代表我們要詢問14號腳位何時收到高電位，以本例而言，當超音波模組收到回音時，就會將Echo轉HIGH，因此我們利用這個語法，就可以求得收到回音的時間，此語法所取得的時間值單位為微秒。範例：
EchoTime=pulseIn(14, HIGH);//計算14號腳位收到高電位的時間
了解本次的兩個新程式語法後，我們將程式完成如下：
int Trig =12;//發出聲波
int Echo =14;//接收聲波
void setup(){
Serial.begin(115200);
pinMode(Trig, OUTPUT);
pinMode(Echo, INPUT);
}
void loop() {
digitalWrite(Trig, LOW); //關閉
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(Trig, HIGH);//啟動
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(Trig, LOW); //關閉
float EchoTime = pulseIn(Echo, HIGH); //傳回時間
float CMValue = EchoTime * 34 / 1000 / 2; //轉換成距離
Serial.println(CMValue);
delay(50);
}
在loop內，我們先將trig關閉5微秒，然後開啟10微秒，之後就立即關閉，這個「關、開、關」的步驟的目的讓超音波模組初始化避免受到干擾，完成後之後便會發出一段超音波，接下來就是利用pulseIn計算收到回音的時間，最後再利用公式將時間轉換程距離即可。
CMValue = EchoTime * 34 / 1000 / 2
這裡的公式內的"34"是轉換成每1/1000秒，音速能跑約34公分，而除1000則是將百萬分之一秒轉成1/1000秒，最後再除2則是因為聲音去一次、回一次花了兩倍距離，除2就可以得到真實的距離。
下圖為本次計算的結果，使用者可以用手放在超音波模組的前方，並前後移動來觀測所獲得的距離。
二、倒車雷達
要完成倒車雷達就必須再安裝一個新的感測器，就是蜂鳴器Buzzer，蜂鳴器在我們日常生活中很常見，例如電腦開機時會嗶一聲，或者火災時超級大聲的警報也是一種蜂鳴器，目前市面上實驗用的蜂鳴器可分成兩種無源蜂鳴器及有源蜂鳴器，兩者的主要差異在於發出聲音的結構不同，此處所謂的無「源」或有「源」的源是指「電源」的意思，無源蜂鳴器是利用供電的頻率（PWM）來改變蜂鳴器的聲音，因為不須接VCC，因此被稱為無源，另一種有源蜂鳴器則是接上VCC就會叫，聲音頻率是固定的，兩種各有用途，而本例則是採用無源蜂鳴器。
有源及無源蜂鳴器兩者外觀上沒有差異，因此購買前請跟賣家確認規格，避免買錯材料。其外觀如下圖，一般上方可能會有一張貼紙，記得實驗前先用筆戳破中間的洞即可，若完全撕開可能會在發低音時破音，蜂鳴器有兩隻腳，有些蜂鳴器會透過長短腳來區分正負極（長正短負），如果您所購買的沒有分長短腳，可觀察正面會標示+的符號，也可區分正負極。
無源蜂鳴器外觀
要控制蜂鳴器發出的聲音就要使用到另外一個程式庫：ESP32Servo，這也是一個控制PWM的工具，除了要用來控制蜂鳴器之外，後續我們也會使用他控制伺服馬達Servo來模擬開門，請選擇上方功能表/草稿碼/匯入程式庫/管理程式庫，開啟程式庫管理員如下圖，在上方關鍵字處輸出"ESP32Servo"，便可找到本程式庫，點選下方的安裝後，等候約一分鐘即可完成安裝。
程式庫管理員安裝ESP32Servo程式庫
程式庫安裝完畢後，我們先寫一個簡單能發出「小蜜蜂」音樂的程式進行聲音測試，在ESP32Servo中，控制蜂鳴器的語法是tone，說明如下
- 發出一段時間的聲音：tone(pin, frequency, ms);
tone語法一共有三個參數，第一個是腳位pin，就是指蜂鳴器接在ESP32的哪一個腳位，第二個參數是frequency，則代表發出某個頻率的聲音，一般我們會用音樂的音階Do Re Mi來代表，關於音階與頻率之間的變換，可參考下表，例如中音Do頻率就是262，Re就是294，而Me則是330，因此發出Do, Re, Mi各半秒鐘，其程式如下所示：
tone(pin, 262, 500);//發出Do
tone(pin, 294, 500);//發出Re
tone(pin, 330, 500);//發出Me
頻率音階對照表
|
音名 |
C |
C# |
D |
D# |
E |
F |
F# |
G |
G# |
A |
A# |
B |
|
音階 |
Do |
|
Re |
|
Mi |
Fa |
|
So |
|
La |
|
Si |
|
低音
中音
高音 |
33 |
35 |
37 |
39 |
41 |
44 |
46 |
49 |
52 |
55 |
58 |
62 |
|
65 |
69 |
73 |
78 |
82 |
87 |
93 |
98 |
104 |
110 |
117 |
123 |
|
|
131 |
139 |
147 |
156 |
165 |
175 |
185 |
196 |
208 |
220 |
233 |
247 |
|
|
262 |
277 |
294 |
311 |
330 |
349 |
370 |
392 |
415 |
440 |
466 |
493 |
|
|
523 |
554 |
587 |
622 |
659 |
698 |
740 |
784 |
831 |
880 |
932 |
988 |
|
|
1046 |
1109 |
1175 |
1245 |
1319 |
1397 |
1480 |
1568 |
1661 |
1760 |
1864 |
1976 |
|
|
2093 |
2217 |
2349 |
2489 |
2637 |
2794 |
2960 |
3136 |
3322 |
3520 |
3729 |
3951 |
|
|
4186 |
4435 |
4699 |
4978 |
5274 |
5588 |
5920 |
6272 |
6645 |
7040 |
7459 |
7902 |
接下來我們將蜂鳴器接上ESP32，我們將蜂鳴器+腳接在GPIO 17，也就是麵包版右側編號9的位置，而另外一隻腳則接在GND的位置。
我們先透過一個簡單範例，發出小蜜蜂的第一段來檢查蜂鳴器是否正常，小蜜蜂的第一段為：
｜G E E -｜F D D -｜C D E F｜G G G -｜
#include <ESP32Servo.h>
int buzzer= 17;
void setup() {
Serial.begin(115200);
}
void loop() {
tone(buzzer, 392, 500);//G(So)
tone(buzzer, 330, 500);//E(Me)
tone(buzzer, 330, 500);//E(Me)
delay(500);
tone(buzzer, 349, 500);//F(Fa)
tone(buzzer, 294, 500);//D(Re)
tone(buzzer, 294, 500);//D(Re)
delay(500);
tone(buzzer, 262, 500);//C(Do)
tone(buzzer, 294, 500);//D(Re)
tone(buzzer, 330, 500);//E(Me)
tone(buzzer, 349, 500);//F(Fa)
tone(buzzer, 392, 500);//G(So)
tone(buzzer, 392, 500);//G(So)
tone(buzzer, 392, 500);//G(So)
delay(3000);
}
上述程式測試成功後，我們則來整合超音波感測及蜂鳴器來製作倒車雷達，為了簡化實驗，我們將超音波所檢測的距離分成四種狀態
安全：100cm內無障礙物，不發出聲音
注意：距離100~50cm之間，發出低音Do提醒使用者
小心：距離50~10cm之間，發出中音Do提醒使用者
危險：距離10～0cm之間，發出高音Do提醒使用者
透過改變聲調來提醒使用者，音調越高代表障礙物越接近，可避免撞到造成造成損失。本部份的程式如下
#include <ESP32Servo.h>
int Trig = 12; //發出聲波
int Echo = 14; //接收聲波
int buzzer = 17;//蜂鳴器
void setup() {
Serial.begin(115200);
pinMode(Trig, OUTPUT);
pinMode(Echo, INPUT);
pinMode(buzzer, OUTPUT);
}
void loop() {
//步驟1：使用超音波測量距離
digitalWrite(Trig, LOW); //關閉
delayMicroseconds(5);
digitalWrite(Trig, HIGH);//啟動
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(Trig, LOW); //關閉
float EchoTime = pulseIn(Echo, HIGH); //傳回時間
float CMValue = EchoTime * 34 / 1000 / 2; //轉換成距離
Serial.println(CMValue);
//步驟2：使用蜂鳴器發出指定聲音
if (CMValue < 100 && CMValue >= 50) {
tone(buzzer, 33, 100); //注意：發出低音Do
}
if (CMValue < 50 && CMValue >= 10) {
tone(buzzer, 523, 100); //小心：發出中音Do
}
if (CMValue < 10) {
tone(buzzer, 4186, 100); //危險：發出高音Do
}
delay(50);
}
除了改變高低音調提醒使用者之外，也可以利用距離改變發出聲音的間隔，例如距離比較遠時就每次嗶聲之間間隔較久，而很接近時，發出的嗶聲音較為緊湊，例如：
tone(buzzer, 4186, CMValue);
也就是發出的聲音間隔剛好是距離，此時很靠近時就可以發出幾乎連續的嗶聲，這也是另外一種常見的方式。
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