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树莓派Qt开发入门（二）：超声波测距和数码管显示实验
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写在前面
因为一些阴差阳错的事情，这个系列鸽在了2019年12月。又因为一些阴差阳错的事情，我重新拿到了这个实验箱，所以准备继续写完这个系列。 一定不鸽。 前言上一节我们使用8个GPIO控制了一个流水灯模块，本节我们使用GPIO的读写操作进行超声波测距，并将距离值在一个4位LED数码管上显示出来。 基础知识 超声波模块
超声波模块采用HC-SR04，本模块使用方法简单，控制口发一个10us以上的高电平，就可以在接收的GPIO口等待高电平输出。有输出就可以开定时器计时，当此GPIO口变为低电平时就可以读定时器的值。模块的具体实现原理是这样的： (1)VCC接5V电源，采用IO口TRIG触发测距，给一个至少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IO口ECHO输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。 时序如图所示： 检测距离=(高电平时间×声速(340M/S))/2 本模块使用方法简单，一个控制口发一个10us以上的高电平，在接收口等待高电平输入。一有输入就可以开定时器计时，当此口变为低电平时就可以读定时器的值，此时就为此次测距的时间，代入上式即可算出距离。如此不断的周期测量，即可以达到移动测量的值。 4位LED数码管模块本实验装置采用1个4位LED模块来显示数据，这个显示模块有4个LED数码管，采用共阳极的接法，由2片74HC595驱动，需要树莓派的3路GPIO口，根据数码管动态扫描原理进行显示。
4位 LED 的位地址从左到右分别是0x08、0x04、0x02、0x01，要显示的字模和位地址按字节依次通过DIO口输出到显示模块，依次检查字模和地址字节的每个位，如果是1，则给DIO一个高电平，如果是0，则给DIO一个低电平，每一位DIO数据输出后，要给串行时钟SCLK一个向上的跳变信号（先低电平、再高电平），当字模字节和地址字节都通过DIO输出后，要给接收时钟 RCLK 一个向上的跳变信号（先低电平、再高电平），那么这个位的数据就输出完成，可以输出下一位的数据。 VCC的3.3V可以从电源模块或者树莓派上获取，如果从电源模块获取，必须将电源模块与树莓派共地。 开发过程和上一个实验一样，我们首先需要在.pro文件中连接wiringPi的库。 LIBS += -lwiringPi LIBS += -lwiringPiDev下一步编写读取超声波模块测量数据的部分，使用树莓派的两个GPIO口分别连接超声波模块的TRIG和ECHO引脚，分别设置为输出和输入模式，并将TRIG置0。 wiringPiSetup(); pinMode(Trig, OUTPUT); //设置Trig为输出 pinMode(Echo, INPUT); //设置Echo为输入 digitalWrite(Trig, LOW); //将TRIG置0计算距离的实现主要使用了sys/time.h的获取系统时间的方法，函数定义为： gettimeofday (struct timeval * tv, struct timezone * tz)gettimeofday()会把目前的时间由tv所指的结构返回，当地时区的信息则放到tz所指的结构中。timeval的结构体包含当前的秒和当前的微秒，定义如下： struct timeval { __time_t tv_sec; /* Seconds. */ __suseconds_t tv_usec; /* Microseconds. */ };当前的时间即为tv_sec.tv_usec秒。 那么获取到了时间，就可以计算ECHO的回响电平长度，那么也就可以算出超声波模块测量出的距离了。实现方法如下： struct timeval time_1; //timeval是time.h中的预定义结构体 其中包含秒和微秒 struct timeval time_2; long t1, t2; float dist = 0.; digitalWrite(Trig, HIGH); delayMicroseconds(10); //发送一个10us的脉冲 digitalWrite(Trig, LOW); while(digitalRead(Echo) == 0); //捕获上升沿 gettimeofday(&time_1, nullptr); while(digitalRead(Echo) == 1); //捕获下降沿 gettimeofday(&time_2, nullptr); t1 = time_1.tv_sec * 1000000 + time_1.tv_usec; //换算成us t2 = time_2.tv_sec * 1000000 + time_2.tv_usec; dist = static_cast(t2 - t1) / 1000000 * 34000 / 2; //计算距离下一步就是把测量得到的数据显示在LED模块上。 在使用LED模块时，我们通常会定义数码管的段码表，来将数字转换为LED段选的控制信号。例如使用LED显示数字0时，给数码管的段选信号就是0xC0。 static unsigned char LED_f[] = {//0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 A B C D E F - 0xc0, 0xf9, 0xa4, 0xb0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xf8, 0x80, 0x90, 0x8c, 0xbf, 0xc6, 0xa1, 0x8e, 0xbf, 0xff, 0x7f, 0xbf };然后将3个数码管的IO口设置为输出模式，分别控制数码管的SCLK、RCLK和DIO引脚。 wiringPiSetup(); pinMode(SCLK,OUTPUT); pinMode(RCLK,OUTPUT); pinMode(DIO,OUTPUT);定义输出一字节数据的函数，每写一个比特，在SCLK上输出一个脉冲信号： void LED_out(char data) { int i; for(i=8; i>=1 ;i--) //循环8次为1字节 { if(data&0x80) digitalWrite(DIO,HIGH); else digitalWrite(DIO,LOW); delayMicroseconds(1); data LED_display(0x08,data/1000%10); delayMicroseconds(10); LED_display(0x04,data/100%10); delayMicroseconds(10); LED_display(0x02,data/10%10); delayMicroseconds(10); LED_display(0x01,data%10); delayMicroseconds(10); }通过循环这样一段代码，我们就可以在0x08、0x04、0x02、0x01这4个地址上分别将data的每一位显示出来。 如果要实现连续采集并稳定显示，我们可以开启一个线程来无休止地循环上面这段LED显示的函数。 这是由于 LED 数码管在显示的时候，要求没有任何延时的快速刷新，才不会闪烁。而 超声波模块在采集数据时需要时间，不能快速采集。因此，不能在一个线程里面又采集数据，又通过 LED 显示数据，否则要么无法读取数据（无延时），要么 LED 显示很闪烁（有延时）。为了解决这个矛盾，可采用多线程的模式，LED 显示和数据采集，分别用两个线程来完成。 这里我们用到的方法是继承QThread类的run函数。首先新建了一个thread.h文件，在其中声明Thread类： #ifndef THREAD_H #define THREAD_H #include "QThread" class Thread : public QThread { Q_OBJECT public: Thread(); protected: void run(); }; #endif // THREAD_H然后写它的cpp文件，这个类中重写的run函数就是多线程运行时的函数，我们把主循环写在这里面： #include "thread.h" #include "led.h" #include "wiringPi.h" Thread::Thread() { } void Thread::run() { LED_init(); //初始化LED while(1) { LED_loop(data); //调用LED循环刷新函数 } }同样，在mainwindow.h中，我们也要include “thread.h”。然后要在MianWindow类里面添加我们刚才写的Thread类，并实例化： class MainWindow : public QMainWindow { Q_OBJECT public: explicit MainWindow(QWidget *parent = nullptr); ~MainWindow(); Thread *thread_led; //实例化Thread类 private slots: void measure(); //定时测量的槽函数 private: Ui::MainWindow *ui; };这样，我们就可以在MainWindow.cpp中使用如下的代码开启这个线程了，start()中便会运行我们刚才重写的run函数： thread_led = new Thread(); thread_led->start();写好LED显示的线程后，若要实现另一个定时读取数据的线程，则可以通过#include "QTimer"使用Qt中的QTimer类实现。 在上面的mainwindow.h可以看到我声明了一个槽函数，用来定时读取数据，并传递给LED显示的线程： void MainWindow::measure() { thread_led->value = SR04_measure(); }QTimer类为定时器提供了一个高级别的编程接口，它很容易使用：首先，创建一个QTimer，连接timeout()信号到我们读取超声波测量值的槽函数，并调用start()，然后在恒定的时间间隔会发射timeout()信号。例如定时100ms： timer = new QTimer(this); connect(timer, SIGNAL(timeout()), this, SLOT(measure())); timer->start(100);start()之后，每100ms都会调用measure()。这样定时采集并稳定显示的程序开发过程就讲述完毕了。 code最后，我把我的工程上传到了平台上，可供大家参考。 树莓派Qt开发入门（二）：超声波测距实验——GPIO的读写操作+多线程编程 |
从图中可以看到，这个模块有5个引脚，从上到下分别为 VCC（接3.3V），SCLK（串行时钟），RCLK（接收时钟），DIO（数据），GND（接地）。【本文地址】