硬件清單
一、超聲波測距原理
二、HCSR04超聲波傳感器的使用
三、LCD1602液晶顯示屏的使用
1.Arduino上的I2C通信協議
2.使用LCD1602液晶顯示屏顯示“Hello World!”字符
四、完成超聲波測距
五、總結

硬件清單

一、超聲波測距原理

 
我們所使用的超聲波傳感器型號為HCSR04，可觀察到他有兩個“眼睛”狀的部件，兩個部件的作用一樣，均可發射和接收超聲波，并且按照上述原理圖進行工作。
首先傳感器發射超聲波，并計時，當超聲波接觸到障礙物會被反射，當傳感器接收到反射波，計時結束，然后利用距離、速度、時間公示進行計算，得到傳感器到障礙物間的距離。
其具體工作原理簡單了解即可，并不影響后述對超聲波傳感器的使用。
 
因此HCSR04超聲波傳感器的四個引腳的作用就比較明顯了，除了VCC接正極、GND接負極外，還有兩個引腳“Trig”及“Echo”，其中“Trig”用于控制發射超聲波，“Echo”用于接收反射波，所以“Trig”所接引腳應為輸出，“Echo”所接引腳應為輸入，因此在后續接線時可以把兩個引腳分別接到兩個數字端口，在端口初始化時分別設置輸入和輸出即可。

二、HCSR04超聲波傳感器的使用

接下來將HCSR04超聲波傳感器與Arduino進行連接，除了VCC及GND分別接正負極外，這里“Trig”與數字端口D5連接，“Echo”與數字端口D4連接，如下圖所示：
 

并且確定安裝的庫文件是否一致，不同的開發者貢獻的庫文件不同，調用方法的名稱也就不同，因此如果與本文按裝的庫文件不同的話，大概率會報錯，建議安裝與下圖一致的庫文件。
 

將超聲波傳感器與Arduino板連接之后，繼續完成以下程序：

//此程序功能為將SR04超聲波傳感器測的的距離數值，通過串口進行輸出
#include<HCSR04.h>  //導入超聲波SR04庫
HCSR04 ultrasonic(5,4);  //聲明一個對象，其名為ultrasonic（自定義的名稱）
                      //4號為“Echo”，5號為“Trig”
void setup()
{
 pinMode(4, INPUT);  //設置“Echo”接入的引腳為輸入
 pinMode(5, OUTPUT);  //設置“Trig”接入的引腳為輸出
 Serial.begin(9600);  //串口監視器初始化
}
int distance;  //定義一個名為“distance”的變量，用于存放檢測的距離數值
void loop()
{
 distance = ultrasonic.dist();  //調用了超聲波庫里的“dist()”方法，獲得檢測距離數值
 Serial.print(distance);  //輸出distance數值，且不換行
 Serial.println(" cm");  //緊接著輸出單位，且換行
}

將程序上傳之前先對以上程序的部分代碼塊進行解釋：
1.“HCSR04 ultrasonic(4, 5)”我們稱之為對象的實例化，即HCSR04為超聲波庫的名稱，在其后自定義一個名稱“ultrasonic”（即超聲波的英文，可自定義任意名稱），并且不同的實例化過程有不同的參數要輸入，比如HCSR04后需要加入“Trig”和“Echo”所接引腳的端口號，從而在后述程序中，如果要調用HCSR04庫內的方法的話，僅需使用“ultrasonic.方法名()”，即可。
2.“distance = ultrasonic.dist()”這一代碼塊是調用了超聲波傳感器中獲取距離的方法“dist()”，與前面int定義的distance截然不同，int定義的變量可取任意名稱，僅為變量名，但“Distance()”為超聲波傳感器固定的方法。
接下來將上述程序上傳至Arduino板，并且打開串口監視器，觀測所測的數值是否準確。
 

另外HCSR04型號的超聲波傳感器的測量范圍官方聲稱為2cm ～ 450cm，因此超出這個范圍的數值會不準確。

三、LCD1602液晶顯示屏的使用

 
 
首先觀察LCD1602顯示屏的正反面（其中反面為實物圖），當前LCD顯示屏的驅動板（即黑色的電路板）上共6個引腳，左側兩個相鄰的引腳直接連接即可，連接后便打開了背光；右側的引腳“GND接負極”“VCC接正極”已經比較熟悉了，對于“SDA”及“SCL”引腳，我們先對此進行詳細介紹。

1.Arduino上的I2C通信協議

 
I2C總線是由Philips公司開發的一種簡單、雙向二線制同步串行總線。它只需要兩根線即可在連接于總線上的器件之間傳送信息。
每種不同的硬件都有不同的I2C地址，因此對于I2C通信的工作原理我們可以理解為：SCL（時鐘線）用于規定當前時刻是否要傳輸數據，就如同紅綠信號燈的作用，防止數據傳輸混亂；SDA（數據線）用于在給定時間內給不同地址的硬件傳輸數據，并且雙向傳輸。當前我們僅需了解不同硬件的I2C地址即可輕松使用I2C通信。

2.使用LCD1602液晶顯示屏顯示“Hello World!”字符

 
在Arduino拓展板的復位鍵旁邊設有專門的I2C引腳，可直接對應連接，當然也可以“SDA - A4”“SCL - A5”的線序連接。
連接好之后觀察屏幕，在未寫入程序之前，LCD顯示屏的第一行應該是可以顯示16個小方塊的，如果未顯示，則使用十字螺絲刀來擰動顯示屏背板藍色的旋鈕，直到小方塊清晰可見。這也就是為什么LCD1602顯示屏標有“1602”——此顯示屏可顯示16列2行字符（英文）。
本章使用的LCD顯示屏為I2C通信，因此使用的庫文件也需要對應，可看下圖使用的庫文件：
 

接下來完成下列程序：

//此程序功能為使用LCD1602輸出“Hello World!”字符
#include <Wire.h>  //導入I2C通信庫
#include <LiquidCrystal_I2C.h>  //導入LCD顯示屏庫
LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2);  //實例化一個名為“lcd”的對象，并且內部有三個參數
                                   //分別為（I2C通信地址，顯示列數，顯示行數）
void setup()
{
  lcd.init();  //顯示屏初始化
  lcd.backlight();  //開啟顯示屏背光
  lcd.setCursor(0,0);  //設置顯示光標位置（列，行）
  lcd.print("Hello, world!");  //顯示字符
  lcd.setCursor(0,1);  //在第一列，第二行開始顯示
  lcd.print("Successful!");  //顯示字符
}
void loop()
{
}

將以上程序上傳，并觀察是否顯示了兩行字符，分別是“Hello, world!”及“Successful!”；接下來對部分代碼塊進行解釋：
1.“#include <Wire.h>”為導入I2C通信庫。
2.“#include <LiquidCrystal_I2C.h>”為導入本程序使用的基于I2C通信協議的LCD顯示屏庫。
3.“LiquidCrystal_I2C lcd(0x27,16,2)”為實例化了一個名為“lcd”的對象，并規定了LCD的I2C地址“0x27”，以及顯示屏顯示的列行數。
其他的代碼作用均已在程序中進行了注釋解釋，則不再贅述。

四、完成超聲波測距

 
按照上圖將“SR04超聲波傳感器”及“LCD1602顯示屏”與Arduino板進行連接；“Trig”與數字端口D5連接，“Echo”與數字端口D4連接，LCD顯示屏的引腳連接到IIC區域；然后完成以下程序：

//此程序功能為將超聲波傳感器測得的數值使用LCD進行顯示
//并且在2cm-450cm內正常顯示，超出范圍則輸出錯誤提示
#include<HCSR04.h>  //導入超聲波SR04庫
#include<Wire.h>  //導入I2C通信庫
#include<LiquidCrystal_I2C.h>  //導入LCD顯示屏庫
LiquidCrystal_I2C  lcd(0x27,16,2);  //聲明使用LCD庫的對象
HCSR04 ultrasonic(5,4);  //聲明一個對象，其名為ultrasonic（自定義的名稱）
                      //4號為“Echo”，5號為“Trig”
void setup()      
{
  lcd.init();  //顯示屏初始化
  lcd.backlight();  //開啟LCD顯示屏背光
  pinMode(4,INPUT); //Echo引腳
  pinMode(5,OUTPUT); //Trig引腳
}
int distance;  //定義一個變量用于存儲超聲波測量的數值
void loop()
{
  distance = ultrasonic.dist();  //將超聲波測得的數值賦值給變量
  if(distance >= 2 && distance <= 450)  //判斷測得數值是否在測量范圍內
  {
    lcd.setCursor(0,0);  //設置LCD顯示光標位置
    lcd.print(distance);  //使用LCD顯示屏顯示distance的數值
    lcd.print(" cm");  //顯示單位“cm”
    delay(200);  //延時200毫秒
    lcd.clear();  //LCD顯示屏清屏，用于顯示下一個數值
  }
  else  //如果超出范圍
  {
    lcd.print("Wrong!");  //輸出“Wrong！”
    delay(200);
    lcd.clear();
  }
}

上述程序是對超聲波傳感器及LCD顯示屏的綜合應用，并且使用了“if判斷”，其代碼塊的作用均已標柱到代碼區域，不再詳細解釋。
將上述代碼進行上傳，并測試是否可實現超聲波測距功能。

五、總結

本章使用SR04超聲波傳感器結合LCD液晶顯示屏來實現了超聲波測距的功能；并且對于超聲波傳感器及顯示屏都需要調用相應的庫文件進行控制，這里需要注意的是一定要使用正確的庫文件，因為各類硬件的庫文件均來自于不同的開發者，不同的開發者貢獻的庫會存在庫文件名稱及方法名不同的情況，當然理論上不同的庫文件都能實現對硬件的控制，所以最好使用與本文相同的庫文件。完成本章的超聲波測距功能之后，不妨聯想汽車的倒車雷達原理，其功能也是可以通過Arduino平臺來實現的，后續還會帶來更多硬件的使用方法及組合成完整功能的教學。