arduino教程-08.超声波的应用

超声波选型指南

2.1 认识超声波

可在空气中传播的超声波频率，大约介于20~200KHz之间，其衰减程度与频率成正比（即频率越高，传播距离越短）
在室温20°C的环境中，声波的传输速度约为344m/s（**声音在水中传播的速度比在空气快60倍），因此，假设超声波往返的时间为600μs，可通过公式：$$距离=344米/秒\times \frac{传播时间}{2}$$ 求得：被测物的距离为10.3cm。

2.2 影响声音传播速度的因素

1. 空气的密度会影响声音的传播速度，空气的密度越高，声音的传播速度越快，而空气的密度又与温度密切相关，考虑温度变化的声音传播速度的近似公式：
   $$速度=V_0+0.6\times T$$
   其中，$V_0$：声音在0摄氏度时的传播速度331.5米/秒。T：温度
2. 物体的形状和材质会影响超声波传感器的效果和准确度，探测表面平整的墙壁和玻璃时，声波将会入射角度反射回来；只要物体表面的坑洞尺寸小于声波波长的$\frac{1}{4}$，即可视为平整表面。波长计算公式：
   $$波长=\frac{相速度}{频率}$$

2.3 超声波传感器简介

超声波传感器模块上面通常有两个超声波元器件，一个用于发射，一个用于接收。电路板上有4个引脚：VCC（正极）、Trig（触发）、Echo（回应）、GND（接地），主要参数：

• 工作电压与电流 ：5V、15mA。
• 感测距离 ：2~400cm
• 感测角度：不大于15°。
• 被测物的面积不要小于50cm²并且尽量平整。
• 具备温度补偿电路。
  在超声波模块的触发脚位输入10微妙以上的高电位，即可发射超声波，发射超声波之后，与接收到传回的超声波之前，“响应”脚位呈现高电位。因此，程序可从“响应”脚位的高电位脉冲持续时间，换算出被测物的距离。

2.4 实验

任务1：使用超声波传感器制作数字量尺

实验说明： 使用超声波感测与障碍物之间的距离，显示在串口监视器或LCD模块。
实验材料：

名称	数量
超声波传感器	1个

测量脉冲持续时间的pulseln()函数

Arduino提供一个测量脉冲时间长度的pulseln()函数，语法格式：

1. Syntax
   pulseIn(pin, value)
   pulseIn(pin, value, timeout)
   此函数将传回微妙单位的脉冲时间，建议用unsigned long类型的变量来存放。
   pulseln()函数会等待脉冲出现再开始计时，预设的等待截止时间是1秒（即$10^6$微秒)，假如脉冲信号未在等待时间内出现，pulseln()将传回0.假如有需要，指定timeout的值为10微秒~3分钟的等待截止时间。
   如果想要测量信号的频率，可以采用Martin Nawrath开发的频率计时器扩展库“FreqCounter”。

2. Parameters
   pin： the number of the pin on which you want to read the pulse. (int)
   value: type of pulse to read: either HIGH or LOW. (int)

timeout (optional): the number of microseconds to wait for the pulse to start; default is one second (unsigned long)
实验程序：

const byte trigPin = 10;
const int echoPin = 9;
unsigned long d;
unsigned long ping() {
	digitalWrite(trigPIN,  HIGH);
	delayMicroseconds(5);
	digitalWrite(trigPin, LOW);
	return pulseln(echoPin, HIGH);
}
void setup()  {
	pinMode(trigPin, OUTPUT);
	pinMode(echoPin, INPUT);
	Serial.begin(9600);
}

void loop(){
	d = ping() / 58;

	Serial.print(d);
	Serial.print("cm");
	Serial.println();
	delay(1000);
}

2.5 hc-sr04超声波传感器

HC-SR04超声波传感器使用声纳来确定物体的距离。它提供了非常好的非接触范围检测，准确度高，读数稳定，易于使用，尺寸从2厘米到400厘米或1英寸到13英尺不等。
其操作不受阳光或黑色材料的影响，尽管在声学上，柔软的材料（如布料等）可能难以检测到。它配有超声波发射器和接收器模块。

1. 技术规格
   

指标	参考
电源	+ 5V DC
静态电流	<2mA
工作电流	15mA
有效角度	<15°
测距距离	2厘米-400厘米/1英寸-13英尺
分辨率	0.3厘米
测量角度	30度

2. 必需的组件
   你将需要以下组件：

• 1 × Breadboard 面包板
• 1 × Arduino Uno R3
• 1 × 超声波传感器（HC-SR04）
  

3. Arduino代码

const int pingPin = 7; // Trigger Pin of Ultrasonic Sensor
const int echoPin = 6; // Echo Pin of Ultrasonic Sensor

void setup() {
   Serial.begin(9600); // Starting Serial Terminal
}

void loop() {
   long duration, inches, cm;
   pinMode(pingPin, OUTPUT);
   digitalWrite(pingPin, LOW);
   delayMicroseconds(2);
   digitalWrite(pingPin, HIGH);
   delayMicroseconds(10);
   digitalWrite(pingPin, LOW);
   pinMode(echoPin, INPUT);
   duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
   inches = microsecondsToInches(duration);
   cm = microsecondsToCentimeters(duration);
   Serial.print(inches);
   Serial.print("in, ");
   Serial.print(cm);
   Serial.print("cm");
   Serial.println();
   delay(100);
}

long microsecondsToInches(long microseconds) {
   return microseconds / 74 / 2;
}

long microsecondsToCentimeters(long microseconds) {
   return microseconds / 29 / 2;
}

4. 代码说明
   超声波传感器有四个端子：+5V，Trigger，Echo和GND，连接如下：超声波传感器有四个端子：+5V，Trigger，Echo和GND，连接如下：

• 将+5V引脚连接到Arduino板上的+5v。
• 将Trigger连接到Arduino板上的数字引脚7。
• 将Echo连接到Arduino板上的数字引脚6。
• 将GND连接到Arduino上的GND。

在我们的程序中，我们通过串口显示了传感器测量的距离，单位为英寸和厘米。
结果，你将在Arduino串口监视器上看到传感器测量的距离，单位为英寸和厘米。