超声波测距传感器

　　智能汽车在遇到障碍时会自动感应到，这种自动感应是依靠什么来实现的呢?

　　【任务导航】

　　认识超声波测距传感器;

　　能根据设备的接口特点选择相应的扩展口插槽;

　　会使用超声波测距传感器的测量距离并进行相关应用。

　　【材料阅读】

　　超声波测距传感器

　　

 

　　功能：提供50px--450m的非接触式距离感测功能，

　　组成：包括超声波发射器、接收器与控制电路。

　　基本工作原理：超声波测距模块一触发信号后发射超声

　　波，当超声波投射到物体而反射回来时，模块输出一回

　　响信号，以触发信号和回响信号间的时间差，来判定物

　　体的距离。

　　超声波传感器有敏感范围大，无视觉盲区，不受障碍物干扰等特点，

　　注意：

　　超声波传感器主要利用多普勒原理(如果区域内有物体运动，反射波频率就会有轻微的波动)，通过晶振向外发射超过人体能感知的高频超声波;一般选用25～40kHz波，然后控制模块检测反射回来波的频率，以此来判断照明区域的物体移动，从而达到控制开关的目的。

　　超声波的纵向振荡特性，可以在气体、液体及固体中传播且其传播速度不同;它还有折射和反射现象，在空气中传播其频率较低，衰减较快;而在固体、液体中则衰减较小，传播较远。

　　【动手操作】

　　活动主题一：调试超声波测距传感器使其可测量距离

　　1.硬件搭建

　　在连接电路时，观察超声波测距传感器，初步判断扩展插槽，在确定插槽后进行设备连接。(注意：连接错误会导致设备发热烫手)

　　器材：ArduinoUno控制器、数据线及扩展板、超声波测距传感器及连接线。

　　2.参考程序

　　程序解读：通过串行监视器，获取与当前障碍物间的距离，单位为cm。

　　

 

　　程序上载后，需在串口监视器中查看超声波测距传感器输出的模拟量。

　　活动主题二：危险距离警告

　　1.硬件搭建

　　将超声波测距传感器接在Arduino扩展板的相应四针插槽或控制器的对应接口，LED接在Arduino控制器的数字口。

　　提示：此处需要条件语句的配合，以实现达到危险距离，指示灯报警的应用效果。

　　器材：Arduino Uno控制器、超声波测距传感器、LED灯以及数据线。

　　2.参考程序

　　程序解读：通过if 条件控制语句，实现当与障碍物距离小于5cm则灯亮，否则灯灭的控制效果。

　　【视野拓展】

　　1.超声波及应用

　　超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。

　　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)。我们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”。通常用于医学诊断的超声波频率为1兆赫兹-30兆赫兹。

　　理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大.在中国北方干燥的冬季，如果把超声波通入水罐中，剧烈的振动会使罐中的水破碎成许多小雾滴，再用小风扇把雾滴吹入室内，就可以增加室内空气湿度，这就是超声波加湿器的原理。如咽喉炎、气管炎等疾病，很难利用血流使药物到达患病的部位，利用加湿器的原理，把药液雾化，让病人吸入，能够提高疗效。利用超声波巨大的能量还可以使人体内的结石做剧烈的受迫振动而破碎，从而减缓病痛，达到治愈的目的。超声波在医学方面应用非常广泛，可以对物品进行杀菌消毒。

　　2.超声波传感器的弊端

　　超声波传感器应用起来原理简单，也很方便，成本也很低。但是目前的超声波传感器都有一些缺点，比如，反射问题，噪音，交叉问题。

　　反射问题：如果被探测物体始终在合适的角度，那超声波传感器将会获得正确的角度。但是不幸的是，在实际使用中，很少被探测物体是能被正确的检测的。其中可能会出现几种误差：三角误差，当被测物体与传感器成一定角度的时候，所探测的距离和实际距离有个三角误差;镜面反射，这个问题和高中物理中所学的光的反射是一样的。在特定的角度下，发出的声波被光滑的物体镜面反射出去，因此无法产生回波，也就无法产生距离读数。这时超声波传感器会忽视这个物体的存在;多次反射，这种现象在探测墙角或者类似结构的物体时比较常见。声波经过多次反弹才被传感器接收到，因此实际的探测值并不是真实的距离值。

　　这些问题可以通过使用多个按照一定角度排列的超声波圈来解决。通过探测多个超声波的返回值，用来筛选出正确的读数。

　　噪音：虽然多数超声波传感器的工作频率为40-45Khz，远远高于人类能够听到的频率。但是周围环境也会产生类似频率的噪音。比如，电机在转动过程会产生一定的高频，轮子在比较硬的地面上的摩擦所产生的高频噪音，机器人本身的抖动，甚至当有多个机器人的时候，其它机器人超声波传感器发出的声波，这些都会引起传感器接收到错误的信号。

　　这个问题可以通过对发射的超声波进行编码来解决，比如发射一组长短不同的音波，只有当探测头检测到相同组合的音波的时候，才进行距离计算。这样可以有效的避免由于环境噪音所引起的误读。

　　交叉问题：是当多个超声波传感器按照一定角度被安装在机器人上的时候所引起的。超声波X发出的声波，经过镜面反射，被传感器Z和Y获得，这时Z和Y会根据这个信号来计算距离值，从而无法获得正确的测量。

　　解决的方法可以通过对每个传感器发出的信号进行编码。让每个超声波传感器只听自己的声音。

　　【探究思考】

　　1.超声波测距传感器与之前学过的有什么不同?

　　2.超声波测距传感器还能应用到哪些方面?