超聲波測距在高中物理實驗教學中的應用

吳建惠

當物體振動時會發(fā)出聲音，科學家們將每秒鐘振動的次數(shù)稱為聲音的頻率，它的單位是赫茲（Hz）.人類耳朵能聽到的聲波頻率為20 Hz-20000 Hz.因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱為“超聲波”.超聲波具有方向性好、穿透能力強、易于獲得較集中的聲能等特性，在測距、測速等方面具有廣泛應用.本文結合高中物理數(shù)字鍵、化實驗開發(fā)實例，闡述如何利用arduino平臺實現(xiàn)超聲波測距和數(shù)據(jù)采集，實現(xiàn)精確、直觀、高效率的實驗測量和數(shù)據(jù)處理.

1超聲波測距原理及方案對比

超聲波測距有兩種常見方案，一種是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23頁所示的方案，把超聲波發(fā)射器件和接收器件分別置放在所測距離的起點和終點，在紅外線遙控器件輔助下計算超聲波從起點至終點的時間Δt，再根據(jù)s=v·Δt求得距離.另一種方案可稱為“反射式”，是把超聲波發(fā)射器件和接收器件并列安裝在起點處，然后測得超聲波從發(fā)射到經(jīng)過終點反射回來被接受到的時間差Δt，再根據(jù)s=v·（Δt/2）求得距離.方案一的測量精度較高，但實現(xiàn)較繁瑣、使用也不便，方案二的測試時間是方案一的兩倍、理論上誤差也翻倍，但使用較為方便、所需模塊也更易于購置，因此我們采用了方案二“反射式”測距方式.

常見的“反射式”超聲波測距模塊有SR系列、US系列等，表1是我們試用過的幾種模塊的電性能參數(shù)，看上去都屬于民用產(chǎn)品、差別并不大，因此網(wǎng)上的超聲波測距應用都采用了常見且廉價的HC-SR04模塊.但事實上HC-SR04模塊和US-016模塊并不能滿足中學物理實驗的必備要求，很多人都忽略了測量頻率的問題，下面試分析之.

如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5節(jié)《自由落體運動》教學中，研究自由落體加速度（重力加速度）是一個非常重要的課堂演示實驗，傳統(tǒng)上采用打點計時器在紙帶上打點記錄距離，測量的頻率是50 Hz，如果要用超聲波測距代替打點計時器，那么測量頻率同樣必須達到50 Hz，也就是說測量周期不能大于20 ms.而幾種模塊不同的輸出方式導致了他們實際輸出效果的區(qū)別：

（1） HC-SR系列模塊的測量時序如圖1，它的測量結果是以脈沖時長的方式輸出的，導致測量周期是超聲波從起點到終點傳播時間的4倍以上，嚴重限制了測量頻率的提高.為了便于理解，我們以測量一米的距離為例分析測量過程：首先單片機向模塊發(fā)送10 us的高電平，然后模塊發(fā)射8個40 kHz超聲波脈沖約耗時0.2 ms，超聲波傳播至目標需時t=1 m/（340 m/s）=2.94 ms，反射至接收器件又需2.94 ms，最后模塊向單片機輸出一個寬度為5.88 ms的高電平脈沖，單片機測得此脈沖寬度后再折算得到測量結果.整個過程約需12 ms，再加上兩次測量之間的間隔時間、其他運行步驟消耗時間、尤其是單片機與PC計算機數(shù)據(jù)通訊時間（實測建議不少于5 ms），整個測量周期很難控制在20 ms之內(nèi).換個說法，50Hz的測量頻率使得測量距離被限制在一米以內(nèi)，嚴重影響了實驗的可操作性.盡管HC-SR04模塊的標稱量程達到4米，但這么長的距離會導致測量周期在50 ms以上，不能達到實驗的要求.

（2） US-016模塊的輸出方式是模擬電平，即把距離轉(zhuǎn)換為輸出端口的電壓值再由數(shù)據(jù)采集模塊測量取值發(fā)送PC，它的轉(zhuǎn)換過程中必然經(jīng)過積分環(huán)節(jié)，最終實際效果雖然沒有明確的測量周期限制但難以測量距離突變，從數(shù)據(jù)采集的曲線來看就是測量曲線被修飾圓滑了，出現(xiàn)了較大的高頻失真.

（3） US-100模塊可采用UART輸出模式（串口模式），工作過程簡述如下：首先單片機向模塊Trig/TX管腳輸入0X55（波特率9600耗時<1ms），模塊發(fā)出8個40KHZ的超聲波脈沖（耗時約0.2ms），然后檢測回波信號，仍以一米為例，5.88ms后檢測到回波信號，然后模塊根據(jù)此時間計算距離（同時還檢測溫度對聲速進行修正），最后將結果通過Echo/RX管腳以串口數(shù)據(jù)直接輸出給單片機.輸出的距離值共兩個字節(jié)，第一個字節(jié)是距離的高8位（HDate），第二個字節(jié)為距離的低8位（LData），單位為毫米（即距離值為（HData*256 +LData）mm）.它與HC-SR04模塊主要區(qū)別是：測量值是以兩個字節(jié)的數(shù)據(jù)通過9600波特率串口輸出，不管距離是多少，輸出所耗的時間都是2*8/9600約1.6ms，而不像HC-SR04那樣輸出結果所需的時間會隨著距離的增大而增大.

US-100模塊的測量時序如圖2，采用該模塊進行超聲波測距時，如果設定測量周期為20 ms，考慮到測量間隔和其他時間，我們認為實際測量過程時間可以達到12 ms，則最大測量距離可達340×12/2=2040mm，約為2米，比HC-SR04模塊更符合重力加速度測量實驗的需求.

此外，US-100模塊內(nèi)帶自動溫度測量并對結果進行校正，也能有效提高實驗對環(huán)境溫度的適應性.從下表可以看出，溫度對超聲波速度的影響還是很大的，當溫度從0變化到20攝氏度時，超聲波速度變化量達到3.6%，已經(jīng)不能忽視.

所以，在反復測試對比后，最終決定采用US-100模塊作為距離測量的傳感器.

2利用arduino平臺實現(xiàn)超聲波測距和數(shù)據(jù)采集

Arduino是目前風靡全球的開源電子創(chuàng)新平臺，它本質(zhì)上是一個經(jīng)過易用性封裝的AVR單片機系統(tǒng)，具有13個數(shù)字輸入/輸出端口和5個模擬輸入/輸出端口，可以通過外接傳感器實現(xiàn)對各類物理量的測量和數(shù)據(jù)采集.結合專用的編程開發(fā)環(huán)境，能夠快速簡便地實現(xiàn)對傳感器進行控制、數(shù)據(jù)采集并與PC計算機軟件結合，實現(xiàn)數(shù)字實驗室的功能.

（1）系統(tǒng)硬件構成：我們采用Arduino Uno主控板控制US-100超聲波測距模塊，并通過USB連接線連接計算機，同時通過USB的5 V電源給主控板和模塊供電，架構清晰制作容易.為了方便使用，我們又把主控板和模塊都安裝在一個鋁合金盒子里，使用時只需要把盒子放在測試處，然后通過USB連接線連接計算機即可.圖3即系統(tǒng)框架示意圖；圖4和圖5分別為各模塊實物圖和安裝后的成品圖.

（2）系統(tǒng)軟件設計和優(yōu)化：由于超聲波測距模塊已經(jīng)把發(fā)射、接收、計時整體設計在內(nèi)，所以本系統(tǒng)的單片機程序很簡潔，這也是采用成品測距模塊的原因，主程序只負責觸發(fā)模塊、接收數(shù)據(jù)、向計算機轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)三個環(huán)節(jié).但想要得到比較穩(wěn)定精確的試驗效果還有許多問題需要解決，我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡和雜志常見的一些測距方案或?qū)嶒灦既狈Ρ匾膰乐斝?，本次設計重點思考并優(yōu)化解決了如下幾個問題：

問題一，如何提高測量量程？

如前所述，我們采用US-100模塊進行超聲波測距，摒棄了常用的HC-SR04模塊，能夠減少讀取測量結果的時間，從而把量程擴大到2米左右，使之符合常見中學物理實驗的要求.

問題二，如何提高測量頻率？

為了進一步降低測量周期、提高測量穩(wěn)定性，我們把Arduino向PC通訊常用的Serial.print命令改為Serial.write命令，每次發(fā)送四字節(jié)的二進制數(shù)據(jù)，前兩字節(jié)為數(shù)據(jù)標志位，一方面可以作為起始位避免數(shù)據(jù)錯位，另一方面第二字節(jié)還可以作為擴展位以提供功能擴展.后兩字節(jié)是二進制的測量結果數(shù)據(jù)，并設定傳輸波特率為115200，使數(shù)據(jù)傳輸時間減少到0.27 ms，向計算機實際通訊時間小于一毫秒，從而進一步減小測量和通訊所需時間，保證測量頻率為50 Hz時具有足夠冗余時間，保障了試驗的穩(wěn)定性.

問題三，如何精確控制測量周期為20 ms？

測量周期的計時原則上可以由上位機或下位機決定，但實際上Windows作為多任務操作系統(tǒng)根本難以保證毫秒級的時間穩(wěn)定性，而單片機從架構上來說就具有較好的時間穩(wěn)定性，因此我們設定由單片機程序進行測量周期的計時和比較.單片機程序的各個步驟都有一些微秒級的操作時間，這個時間是固定的，但唯有單片機與計算機通訊的命令受計算機影響時間穩(wěn)定性較差，有些類似程序沒有考慮周全導致程序整體的時間精確性達不到要求.我們的解決方案是把初始計時放在程序之首，然后就是數(shù)據(jù)發(fā)送環(huán)節(jié)，之后是數(shù)據(jù)采集環(huán)節(jié)，大于0.05%.

（3）核心代碼：

3PC數(shù)據(jù)采集與圖形化顯示程序

上述Arduino系統(tǒng)已經(jīng)完成了超聲波測距、數(shù)據(jù)采集并向計算機發(fā)送的工作，最后還需要通過一定的Windows程序接收數(shù)據(jù)、保存數(shù)據(jù)，并能以圖形化顯示.為此，我們用Vb6.0編寫了數(shù)據(jù)接收和顯示程序，并命名為“GeekFlash數(shù)據(jù)采集器”，如下圖6是程序的運行界面和某次動態(tài)測距的曲線圖.限于篇幅，PC端程序不做詳細說明.

4超聲波測距與采集在高中物理實驗中的實踐案例

下面是采用本系統(tǒng)測量重力加速度實驗的一組數(shù)據(jù)，限于超聲波測距模塊的精度（實測在+-1 mm左右），去除首尾無效數(shù)據(jù)，所測得重力加速度在9.7-9.8左右，學生不僅可以通過圖像直觀了解物體下落過程位移隨時間變化的特點，也可以根據(jù)現(xiàn)場采集的數(shù)據(jù)計算當?shù)刂亓铀俣戎?，在實驗誤差范圍內(nèi)，其精確度、直觀性以及實驗效率均大大優(yōu)于打點計時器的效果.