高中物理中超聲波測距的實驗設(shè)計

吳建惠

摘 要：依據(jù)高中物理課程標(biāo)準(zhǔn)和教材的要求， 通過技術(shù)創(chuàng)新和方案創(chuàng)新， 采用Arduino開源創(chuàng)新平臺和超聲波測距模塊，自主開發(fā)數(shù)字化測距實驗系統(tǒng)，彌補(bǔ)傳統(tǒng)實驗器材的缺陷，實現(xiàn)了“精確簡捷”的數(shù)據(jù)采集，實驗數(shù)據(jù)的“圖形化”動態(tài)處理，為探究性物理實驗提供支持。

關(guān)鍵詞：超聲波；Arduino；物理；數(shù)字實驗室

中圖分類號：G633.7 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A 文章編號：1003-6148（2016）10-0059-4

當(dāng)物體振動時會發(fā)出聲音，科學(xué)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(qiáng)、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(yīng)用。本文結(jié)合高中物理數(shù)字化實驗開發(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放置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，但實驗較繁瑣、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(yīng)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(xué)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(xué)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(dá)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(dǎo)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(jié)果是以脈沖時長的方式輸出的，導(dǎo)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(yán)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(jī)向模塊發(fā)送10 μs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(biāo)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(jī)輸出一個寬度為5.88 ms的高電平脈沖，單片機(jī)測得此脈沖寬度后再折算得到測量結(jié)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(jī)與PC計算機(jī)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，50 Hz的測量頻率使得測量距離被限制在一米以內(nèi)，嚴(yán)重影響了實驗的可操作性。盡管HC-SR04模塊的標(biāo)稱量程達(dá)到4米，但這么長的距離會導(dǎo)致測量周期在50 ms以上，不能達(dá)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(jī)向模塊Trig/TX管腳輸入0X55（波特率9600耗時<1 ms），模塊發(fā)出8個40 kHz的超聲波脈沖（耗時約0.2 ms），然后檢測回波信號，仍以一米為例，5.88 ms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(jìn)行修正），最后將結(jié)果通過Echo/RX管腳以串口數(shù)據(jù)直接輸出給單片機(jī)。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模塊的主要區(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1.6 ms，而不像HC-SR04那樣輸出結(jié)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(jìn)行超聲波測距時，如果設(shè)定測量周期為20 ms，考慮到測量間隔和其他時間，我們認(rèn)為實際測量過程時間可以達(dá)到12 ms，則最大測量距離可達(dá)340*12/2=2040 mm，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(jié)果進(jìn)行校正，也能有效提高實驗對環(huán)境溫度的適應(yīng)性。從表2可以看出，溫度對超聲波速度的影響還是很大的，當(dāng)溫度從0變化到20攝氏度時，超聲波速度變化量達(dá)到3.6%，已經(jīng)不能忽視。

所以，在反復(fù)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(fēng)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(jī)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(jié)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(jìn)行控制、數(shù)據(jù)采集并與PC計算機(jī)軟件結(jié)合，實現(xiàn)數(shù)字實驗室的功能。

（1）系統(tǒng)硬件構(gòu)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(jī)，同時通過USB的5 V電源給主控板和模塊供電，架構(gòu)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(jī)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(shè)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(shè)計在內(nèi)，所以本系統(tǒng)的單片機(jī)程序很簡潔，這也是采用成品測距模塊的原因，主程序只負(fù)責(zé)觸發(fā)模塊、接收數(shù)據(jù)、向計算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)三個環(huán)節(jié)。但想要得到比較穩(wěn)定精確的實驗效果還有許多問題需要解決，我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和雜志常見的一些測距方案或?qū)嶒灦既狈Ρ匾膰?yán)謹(jǐn)性，本次設(shè)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(jìn)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(jié)果的時間，從而把量程擴(kuò)大到2米左右，使之符合常見中學(xué)物理實驗的要求。

問題二，如何提高測量頻率？

為了進(jìn)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(jìn)制數(shù)據(jù)，前兩字節(jié)為數(shù)據(jù)標(biāo)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(kuò)展位以提供功能擴(kuò)展。后兩字節(jié)是二進(jìn)制的測量結(jié)果數(shù)據(jù)，并設(shè)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(jī)實際通訊時間小于一毫秒，從而進(jìn)一步減小測量和通訊所需時間，保證測量頻率為50 Hz時具有足夠冗余的時間，保障了實驗的穩(wěn)定性。

問題三，如何最后是時間比較環(huán)節(jié)，通過反復(fù)測試的校正參數(shù)保證了整個周期為20 ms，實測誤差不精確控制測量周期？

測量周期的計時原則上可以由上位機(jī)或下位機(jī)決定，但實際上Windows作為多任務(wù)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(jī)從架構(gòu)上來說就具有較好的時間穩(wěn)定性，因此我們設(shè)定由單片機(jī)程序進(jìn)行測量周期的計時和比較。單片機(jī)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(jī)與計算機(jī)通訊的命令受計算機(jī)影響時間穩(wěn)定性較差，有些類似程序沒有考慮周全導(dǎo)致程序整體的時間精確性達(dá)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：

3 PC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(jī)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(xì)說明。

4 超聲波測距與采集在高中物理實驗中的實踐案例

采用本系統(tǒng)測量重力加速度實驗的一組數(shù)據(jù)如表3所示，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)，所測得的重力加速度在9.7～9.8左右，學(xué)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(dāng)?shù)刂亓铀俣戎担趯嶒炚`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。（圖7）

參考文獻(xiàn)：

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