高中物理中超声波测距的实验设计

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1、高中物理中超声波测距的实验设计　　摘要：依据高中物理课程标准和教材的要求，通过技术创新和方案创新，采用Arduino开源创新平台和超声波测距模块，自主开发数字化测距实验系统，弥补传统实验器材的缺陷，实现了“精确简捷”的数据采集，实验数据的“图形化”动态处理，为探究性物理实验提供支持。　　关键词：超声波；Arduino；物理；数字实验室　　中图分类号：G633.7文献标识码：A文章编号：1003-6148（2016）10-0059-4　　当物体振动时会发出声音，科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹（Hz

2、）。人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能等特性，在测距、测速等方面具有广泛应用。本文结合高中物理数字化实验开发实例，阐述如何利用Arduino平台实现超声波测距和数据采集，实现精确、直观、高效率的实验测量和数据处理。　　1超声波测距原理及方案对比　　超声波测距有两种常见方案，一种是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23页所示的方案，把超声波发射器件和接收器件分别放置在所测距离的起点和终点，在红外线遥控器件辅

3、助下计算超声波从起点至终点的时间Δt，再根据s=v*Δt求得距离。另一种方案可称为“反射式”7，是把超声波发射器件和接收器件并列安装在起点处，然后测得超声波从发射到经过终点反射回来被接受到的时间差Δt，再根据s=v*（Δt/2）求得距离。方案一的测量精度较高，但实验较繁琐、使用也不便，方案二的测试时间是方案一的两倍、理论上误差也翻倍，但使用较为方便、所需模块也更易于购置。因此，我们采用了方案二“反射式”测距方式。　　常见的“反射式”超声波测距模块有SR系列、US系列等，表1是我们试用过的几种模块的电性能参数，看上去都属于

4、民用产品，差别并不大，因此网上的超声波测距应用都采用了常见且廉价的HC-SR04模块。但事实上HC-SR04模块和US-016模块并不能满足中学物理实验的必备要求，很多人都忽略了测量频率的问题，下面试分析之。　　如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5节《自由落体运动》教学中，研究自由落体加速度（重力加速度）是一个非常重要的课堂演示实验，传统上采用打点计时器在纸带上打点记录距离，测量的频率是50Hz，如果要用超声波测距代替打点计时器，那么测量频率同样必须达到50Hz，也就是说测量周期不能大于20ms。而几种模块不同的输出方式

5、导致了他们实际输出效果的区别：　　（1）HC-SR系列模块的测量时序如图1，它的测量结果是以脉冲时长的方式输出的，导致测量周期是超声波从起点到终点传播时间的4倍以上，严重限制了测量频率的提高。为了便于理解，我们以测量一米的距离为例分析测量过程：首先单片机向模块发送10μs的高电平，然后模块发射8个40kHz超声波脉冲约耗时0.2ms，超声波传播至目标需时t=1m/（340m/s）=2.94ms，反射至接收器件又需2.947ms，最后模块向单片机输出一个宽度为5.88ms的高电平脉冲，单片机测得此脉冲宽度后再折算得到测量结

6、果。整个过程约需12ms，再加上两次测量之间的间隔时间、其他运行步骤消耗时间、尤其是单片机与PC计算机数据通讯时间（实测建议不少于5ms），整个测量周期很难控制在20ms之内。换个说法，50Hz的测量频率使得测量距离被限制在一米以内，严重影响了实验的可操作性。尽管HC-SR04模块的标称量程达到4米，但这么长的距离会导致测量周期在50ms以上，不能达到实验的要求。　　（2）US-016模块的输出方式是模拟电平，即把距离转换为输出端口的电压值再由数据采集模块测量取值发送PC，它的转换过程中必然经过积分环节，最终实际效果虽然

7、没有明确的测量周期限制但难以测量距离突变，从数据采集的曲线来看就是测量曲线被修饰圆滑了，出现了较大的高频失真。　　（3）US-100模块可采用UART输出模式（串口模式），工作过程简述如下：首先单片机向模块Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600耗时<1ms），模块发出8个40kHz的超声波脉冲（耗时约0.2ms），然后检测回波信号，仍以一米为例，5.88ms后检测到回波信号，然后模块根据此时间计算距离（同时还检测温度对声速进行修正），最后将结果通过Echo/RX管脚以串口数据直接输出给单片机。输出的距离值共两个字

8、节，第一个字节是距离的高8位（HDate），第二个字节为距离的低8位（LData），单位为毫米（即距离值为（HData*256+LData）mm）。它与HC-SR04模块的主要区别是：测量值是以两个字节的数据通过9600波特率串口输出，不管距离是多少，输出所耗的时间都是2*8/9600约1.67ms，而不像HC-SR