超声波的应用

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。

影响声音传播速度的因素

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
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：
$波长 = \frac{相速度}{频率}$

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。

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：

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”。

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);
}