吳建惠

當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音，科學(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)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(tīng)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(cè)距、測(cè)速等方面具有廣泛應(yīng)用.本文結(jié)合高中物理數(shù)字鍵、化實(shí)驗(yàn)開(kāi)發(fā)實(shí)例，闡述如何利用arduino平臺(tái)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距和數(shù)據(jù)采集，實(shí)現(xiàn)精確、直觀、高效率的實(shí)驗(yàn)測(cè)量和數(shù)據(jù)處理.

1超聲波測(cè)距原理及方案對(duì)比

超聲波測(cè)距有兩種常見(jiàn)方案，一種是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23頁(yè)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(cè)距離的起點(diǎn)和終點(diǎn)，在紅外線遙控器件輔助下計(jì)算超聲波從起點(diǎn)至終點(diǎn)的時(shí)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(diǎn)處，然后測(cè)得超聲波從發(fā)射到經(jīng)過(guò)終點(diǎn)反射回來(lái)被接受到的時(shí)間差Δt，再根據(jù)s=v·（Δt/2）求得距離.方案一的測(cè)量精度較高，但實(shí)現(xiàn)較繁瑣、使用也不便，方案二的測(cè)試時(shí)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(gòu)置，因此我們采用了方案二“反射式”測(cè)距方式.

常見(jiàn)的“反射式”超聲波測(cè)距模塊有SR系列、US系列等，表1是我們?cè)囉眠^(guò)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(cè)距應(yīng)用都采用了常見(jiàn)且廉價(jià)的HC-SR04模塊.但事實(shí)上HC-SR04模塊和US-016模塊并不能滿足中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的必備要求，很多人都忽略了測(cè)量頻率的問(wèn)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(yùn)動(dòng)》教學(xué)中，研究自由落體加速度（重力加速度）是一個(gè)非常重要的課堂演示實(shí)驗(yàn)，傳統(tǒng)上采用打點(diǎn)計(jì)時(shí)器在紙帶上打點(diǎn)記錄距離，測(cè)量的頻率是50 Hz，如果要用超聲波測(cè)距代替打點(diǎn)計(jì)時(shí)器，那么測(cè)量頻率同樣必須達(dá)到50 Hz，也就是說(shuō)測(cè)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(shí)際輸出效果的區(qū)別：

（1） HC-SR系列模塊的測(cè)量時(shí)序如圖1，它的測(cè)量結(jié)果是以脈沖時(shí)長(zhǎng)的方式輸出的，導(dǎo)致測(cè)量周期是超聲波從起點(diǎn)到終點(diǎn)傳播時(shí)間的4倍以上，嚴(yán)重限制了測(cè)量頻率的提高.為了便于理解，我們以測(cè)量一米的距離為例分析測(cè)量過(guò)程：首先單片機(jī)向模塊發(fā)送10 us的高電平，然后模塊發(fā)射8個(gè)40 kHz超聲波脈沖約耗時(shí)0.2 ms，超聲波傳播至目標(biāo)需時(shí)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(gè)寬度為5.88 ms的高電平脈沖，單片機(jī)測(cè)得此脈沖寬度后再折算得到測(cè)量結(jié)果.整個(gè)過(guò)程約需12 ms，再加上兩次測(cè)量之間的間隔時(shí)間、其他運(yùn)行步驟消耗時(shí)間、尤其是單片機(jī)與PC計(jì)算機(jī)數(shù)據(jù)通訊時(shí)間（實(shí)測(cè)建議不少于5 ms），整個(gè)測(cè)量周期很難控制在20 ms之內(nèi).換個(gè)說(shuō)法，50Hz的測(cè)量頻率使得測(cè)量距離被限制在一米以內(nèi)，嚴(yán)重影響了實(shí)驗(yàn)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(zhǎng)的距離會(huì)導(dǎo)致測(cè)量周期在50 ms以上，不能達(dá)到實(shí)驗(yàn)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(cè)量取值發(fā)送PC，它的轉(zhuǎn)換過(guò)程中必然經(jīng)過(guò)積分環(huán)節(jié)，最終實(shí)際效果雖然沒(méi)有明確的測(cè)量周期限制但難以測(cè)量距離突變，從數(shù)據(jù)采集的曲線來(lái)看就是測(cè)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(guò)程簡(jiǎn)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(shí)<1ms），模塊發(fā)出8個(gè)40KHZ的超聲波脈沖（耗時(shí)約0.2ms），然后檢測(cè)回波信號(hào)，仍以一米為例，5.88ms后檢測(cè)到回波信號(hào)，然后模塊根據(jù)此時(shí)間計(jì)算距離（同時(shí)還檢測(cè)溫度對(duì)聲速進(jìn)行修正），最后將結(jié)果通過(guò)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(gè)字節(jié)，第一個(gè)字節(jié)是距離的高8位（HDate），第二個(gè)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(cè)量值是以兩個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)通過(guò)9600波特率串口輸出，不管距離是多少，輸出所耗的時(shí)間都是2*8/9600約1.6ms，而不像HC-SR04那樣輸出結(jié)果所需的時(shí)間會(huì)隨著距離的增大而增大.

US-100模塊的測(cè)量時(shí)序如圖2，采用該模塊進(jìn)行超聲波測(cè)距時(shí)，如果設(shè)定測(cè)量周期為20 ms，考慮到測(cè)量間隔和其他時(shí)間，我們認(rèn)為實(shí)際測(cè)量過(guò)程時(shí)間可以達(dá)到12 ms，則最大測(cè)量距離可達(dá)340×12/2=2040mm，約為2米，比HC-SR04模塊更符合重力加速度測(cè)量實(shí)驗(yàn)的需求.

此外，US-100模塊內(nèi)帶自動(dòng)溫度測(cè)量并對(duì)結(jié)果進(jìn)行校正，也能有效提高實(shí)驗(yàn)對(duì)環(huán)境溫度的適應(yīng)性.從下表可以看出，溫度對(duì)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(shí)，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(cè)試對(duì)比后，最終決定采用US-100模塊作為距離測(cè)量的傳感器.

2利用arduino平臺(tái)實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距和數(shù)據(jù)采集

Arduino是目前風(fēng)靡全球的開(kāi)源電子創(chuàng)新平臺(tái)，它本質(zhì)上是一個(gè)經(jīng)過(guò)易用性封裝的AVR單片機(jī)系統(tǒng)，具有13個(gè)數(shù)字輸入/輸出端口和5個(gè)模擬輸入/輸出端口，可以通過(guò)外接傳感器實(shí)現(xiàn)對(duì)各類物理量的測(cè)量和數(shù)據(jù)采集.結(jié)合專用的編程開(kāi)發(fā)環(huán)境，能夠快速簡(jiǎn)便地實(shí)現(xiàn)對(duì)傳感器進(jìn)行控制、數(shù)據(jù)采集并與PC計(jì)算機(jī)軟件結(jié)合，實(shí)現(xiàn)數(shù)字實(shí)驗(yàn)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(cè)距模塊，并通過(guò)USB連接線連接計(jì)算機(jī)，同時(shí)通過(guò)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(gè)鋁合金盒子里，使用時(shí)只需要把盒子放在測(cè)試處，然后通過(guò)USB連接線連接計(jì)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(shí)物圖和安裝后的成品圖.

（2）系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)和優(yōu)化：由于超聲波測(cè)距模塊已經(jīng)把發(fā)射、接收、計(jì)時(shí)整體設(shè)計(jì)在內(nèi)，所以本系統(tǒng)的單片機(jī)程序很簡(jiǎn)潔，這也是采用成品測(cè)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(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)發(fā)數(shù)據(jù)三個(gè)環(huán)節(jié).但想要得到比較穩(wěn)定精確的試驗(yàn)效果還有許多問(wèn)題需要解決，我們發(fā)現(xiàn)網(wǎng)絡(luò)和雜志常見(jiàn)的一些測(cè)距方案或?qū)嶒?yàn)都缺乏必要的嚴(yán)謹(jǐn)性，本次設(shè)計(jì)重點(diǎn)思考并優(yōu)化解決了如下幾個(gè)問(wèn)題：

問(wèn)題一，如何提高測(cè)量量程？

如前所述，我們采用US-100模塊進(jìn)行超聲波測(cè)距，摒棄了常用的HC-SR04模塊，能夠減少讀取測(cè)量結(jié)果的時(shí)間，從而把量程擴(kuò)大到2米左右，使之符合常見(jiàn)中學(xué)物理實(shí)驗(yàn)的要求.

問(wèn)題二，如何提高測(cè)量頻率？

為了進(jìn)一步降低測(cè)量周期、提高測(cè)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(cuò)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(cè)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(shí)間減少到0.27 ms，向計(jì)算機(jī)實(shí)際通訊時(shí)間小于一毫秒，從而進(jìn)一步減小測(cè)量和通訊所需時(shí)間，保證測(cè)量頻率為50 Hz時(shí)具有足夠冗余時(shí)間，保障了試驗(yàn)的穩(wěn)定性.

問(wèn)題三，如何精確控制測(cè)量周期為20 ms？

測(cè)量周期的計(jì)時(shí)原則上可以由上位機(jī)或下位機(jī)決定，但實(shí)際上Windows作為多任務(wù)操作系統(tǒng)根本難以保證毫秒級(jí)的時(shí)間穩(wěn)定性，而單片機(jī)從架構(gòu)上來(lái)說(shuō)就具有較好的時(shí)間穩(wěn)定性，因此我們?cè)O(shè)定由單片機(jī)程序進(jìn)行測(cè)量周期的計(jì)時(shí)和比較.單片機(jī)程序的各個(gè)步驟都有一些微秒級(jí)的操作時(shí)間，這個(gè)時(shí)間是固定的，但唯有單片機(jī)與計(jì)算機(jī)通訊的命令受計(jì)算機(jī)影響時(shí)間穩(wěn)定性較差，有些類似程序沒(méi)有考慮周全導(dǎo)致程序整體的時(shí)間精確性達(dá)不到要求.我們的解決方案是把初始計(jì)時(shí)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(cè)距、數(shù)據(jù)采集并向計(jì)算機(jī)發(fā)送的工作，最后還需要通過(guò)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(yùn)行界面和某次動(dòng)態(tài)測(cè)距的曲線圖.限于篇幅，PC端程序不做詳細(xì)說(shuō)明.

4超聲波測(cè)距與采集在高中物理實(shí)驗(yàn)中的實(shí)踐案例

下面是采用本系統(tǒng)測(cè)量重力加速度實(shí)驗(yàn)的一組數(shù)據(jù)，限于超聲波測(cè)距模塊的精度（實(shí)測(cè)在+-1 mm左右），去除首尾無(wú)效數(shù)據(jù)，所測(cè)得重力加速度在9.7-9.8左右，學(xué)生不僅可以通過(guò)圖像直觀了解物體下落過(guò)程位移隨時(shí)間變化的特點(diǎn)，也可以根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)采集的數(shù)據(jù)計(jì)算當(dāng)?shù)刂亓铀俣戎?，在?shí)驗(yàn)誤差范圍內(nèi)，其精確度、直觀性以及實(shí)驗(yàn)效率均大大優(yōu)于打點(diǎn)計(jì)時(shí)器的效果.