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[入门教程] 【掌控未来智造营】超声波的隐藏用法—掌控板科学实验

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     什么,超声波还有隐藏用法,它不就是来测量距离的吗,没错,用它来测量距离再好不过了,创客朋友们可以用它玩出各种花样来,本着不浪费一分钱的原则,单纯的测量距离肯定是不能放过它的,必须榨干,哈哈,说干就干

超声波测速动图.gif


     今天我们深度挖掘一下超声波的另外一种用法,那就是实现测速功能
噔噔噔噔,上课了
又回到了我们掌控板科学实验课堂了
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#掌控板科学实验系列课程课程四:超声波测速
      本课程适用于高中必修一第一章《运动的描述》中第3节《位置变化快慢的描述—速度》的内容教学,用于研究速度的变化
一、知识背景
平均速度和瞬时速度
一般来说,物体在某一段时间内,运动的快慢通常是变化的,所以,由△X/△t求得的速度v,表示的只是物体在时间△t内运动的平均快慢程度,叫做平均速度
可以设想,用由时刻t+△t一小段时间内的平均速度来代替时刻t物体的速度,如果△t取得小一些,物体在△t这样一个较小的时间内,运动快慢差异就不会太大。△t越小,运动快慢的差异就越小。当△t非常非常小时,运动快慢的差异可以忽略不计,此时,我们就把△X/△t叫做物体   在时刻t的瞬时速度,瞬时速度的大小通常叫做速率
通过以上的知识背景了解了时间,位移,平均速度和瞬时速度的知识,我们来测量一下速度,本次实验所测速度都是平均速度
在高中物理课本中有这样一个实验,借助传感器与计算机测速度,如图1,图2为物理课本中的实验装置,其中提到了一种位移传感器测速的原理,如图2所示,
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图1测速装置

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图2位移传感器测速

这次我们采用一种数字化的测量教具对课本中的实验进行一次创新,如图3,图4所示为此次的实验教具
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图3 位移测速实验装置

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图4 位移测速实验装置

想要测量小车的速度,我们得先知道原理方可展开测量
下面我们先来了解一下实际生活中的超声波测速和测距的原理
现在的汽车多数都配有倒车雷达,如下图5所示,它使用的是超声波传感器,在倒车时,当障碍物与车辆的距离低于警戒距离时,就会由蜂鸣器发出警报通知,提醒驾驶人注意,那么超声波是怎样计算出距离的呢?
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图5 汽车倒车雷达

其实很简单,如图6所示,超声波发射器向某一方向发射超声波,同时开始计时t1,超声波碰到障碍物,就会立即反射回来被接收器收到,计时停止t2,计时器记录的时间t=t2-t1,t是超声波来回的总时间,那么单程时间就是t/2,也就是碰到障碍物时的时间,再利用空气中的声速v=340m/s,就可以计算出发射点距障碍物的距离s,s=vt/2,超声波就是通过这种方法测出距离的,此次实验我们要测量速度该如何测出呢
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图6 超声波测量距离

对于一辆行驶的汽车,如果我们能够利用两次超声波测距的过程测算出这个距离在一段时间内的变化,也就是障碍物的位移,进而就可以计算出移动的速度了
下面我们再通过一个例子进一步了解实现过程,如图7所示,一辆汽车面向超声波传感器匀速行驶,传感器向汽车先后发出两个超声波,分别经汽车反射之后收到,已知声速V0=340m/s,求小车速度V,要求小车速度V,得知道小车在一段时间运动的位移△X,我们能算出来的时间只有两次反射之间的这一段时间,所以就得算两次反射的时刻△t

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第一步先看第一次反射,t1时刻发出超声波,经过反射在t3时刻收到,来回的时间相同,所以反射的时刻就是t1和t3的中点时刻(t1+t3)/2,接下来分析这段距离,设为s1,根据刚才的分析,超声波的单程时间就是全程时间(t3-t1)的一半,也就是(t3-t1)/2,如果(t3-t1)/2乘以V0就等于s1,也就是第一次反射的位移s1=(t3-t1)/2×V0
接下来我们看第二步,第二次反射过程和第一次完全一样,t2时刻发出超声波,经过反射在t4时刻收到,反射的时刻就是t2和t4的中点时刻(t2+t4)/2,接下来算位移s2,超声波单程就是全程时间(t4-t2)的一半,再乘以声速V0就是距离s2,也就是第二次反射位移s2=(t4-t2)/2×V0
两次反射的位置s1,s2,和两次反射的时刻都已知晓,△t=(t2+t4)/2-(t1+t3)/2
△X=s1-s2,通过公式v=△X/△t就可以求出小车的行驶速度了
根据上述思路分析,我们知道了实验原理,总结一下需要求的几个关键数据,
位移△X,时间△t
位移△X通过s1和s2求出,时间△t通过(t2+t4)/2-(t1+t3)/2求出,我们实验中要求的就是这几个关键数据,s1,s2,t1,t2,t3,t4
确定了测量的关键数据,目标就非常清晰了,下面就是实验方案的确定
二、实验方案确定
确定实验方案需要对实现本次实验的器材进行选择,主控板可以选择Arduino和掌控板,本次比赛要求使用掌控板,当然原理都是一样的,我们可以先利用arduino去实现功能,然后再移植到掌控板上会更加有效率一点
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实现测距首选的就是超声波传感器,接着是时间的测量,通过案例分析我们可以采用记录主控板的系统时间的方法来作为超声波反射的时间数据,当然我们还需要借助两颗红外传感器作为超声波开启测量的触发条件
器材选择完毕后,根据实验原理,来讲解一下超声波具体的实现过程,方便方案的开展实施,尤其是方便程序的编写
我们知道了想要测得速度,需要求出关键的两个参数△X和△t
第一步就是位移△X
△X=s1-s2,s1和s2也就是两次超声波测到的距离,超声波究竟是如何测出距离的,我们需要先了解一下,本次选用的超声波型号为HC-sr04超声波传感器,如下图8所示
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图8 HC-SR04超声波

图中有四个引脚,VCC和GND为正负极引脚,剩下两个分别为TRIG和ECHO引脚,TRIG引脚用来发射超声波,ECHO引脚用来接收超声波
超声波的使用原理简单的说就是TRIG引脚给持续10us的高电平,模块就会发出8个40khz方波(脉冲信号),并自动检测是否有信号返回如图9所示,这一步会由模块内部自动完成,如有信号返回,ECHO引脚就会产生高电平,高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。(高电平持续的时间也就是上面实验原理t3-t1或者t4-t2的时间,是双倍路程的时间,单程时间应为总时间除以2)
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图9 超声波测距原理

距离换算公式分析:
声音在干燥、摄氏 15度的空气中的传播速度大约为340米/秒,合34,000厘米/秒。或者,我们作一下单位换算将秒换算成微秒,34,000除以1,000,000厘米/微秒。即为:0.034厘米/微秒 也就是1微秒时间移动0.034厘米,那么移动一厘米大概需要多长时间呢,经过换算1/(0.034 厘米/微秒) 即:约29微秒/厘米。这就意味着,1厘米就需要29微秒
因为超声波走的是双倍路程,所以用的时间也是双倍时间
测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2=(高电平时间*声速(0.034cm/us))/2=
(高电平时间*1/(29us/cm))/2=高电平时间t/58.0
测距公式推导出以后,就可以测出s1和s2,进而求出△X,根据上面的推导公式,距离s是由速度v乘以高电平持续的时间t求出的,时间t为超声波发出到碰到障碍物的时间,也就是超声波发出后高电平持续的时间,在arduino ide或mixly程序中都可以通过内部函数求出如下图10,图11
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图10 arduino ide中指令      

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图11 mixly中【高电平持续时间】指令

高电平持续的时间本质上是超声波发出到接收到的时间,其实走了双倍路程,时间应为总时间的一半,高电平持续的时间为t,t/58为测量到的距离,利用arduino ide和mixly实现测距程序如下图12,图13,程序中time1和time2可以近似理解为超声波发射和接收的时间,中点碰到障碍物的时间为(time2+time1)/2,程序中2号引脚接超声波的TRIG引脚,低电平-高电平-低电平的过程就是在发送方波的过程
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图12 mixly中超声波测距实现程序      

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图13 mixly中超声波测距实现程序

有的伙伴会问,为什么不使用mixly中封装好的超声波传感器测距模块呢,模块如下图14
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图14 超声波传感器编程指令模块和对应的代码程序

其实原理是一样的,通过模块对应的指令代码就可以看出,为了更加精确的记录高电平持续的时间,我们采用更加原始的方法,不使用封装的测距模块
通过公式v=△X/△t,位移△X已经可以测出,如果接下来可以求出△t,速度v进而也可以求出,超声波测速的功能也就实现了
现在还差最关键的一步,求解△t
要求时间△t,需要求每次超声波发射后高电平持续的时间,两次高电平持续的时间我们设为ta和tb,ta=t3+t1,tb=t4+t2,将ta和tb除以2就是单程时间,将tb减去ta就是△t,到此为止,时间△t,位移△x已知,进而速度v也就可以求出,为了方便数据测量,我们可以设置两个测量点,两个测量点可以用两颗红外传感器是否检测到信号来触发超声波测距
利用arduino ide和mixly实现速度测量程序如下图15,图16所示
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图15 mixly中超声波测速实现程序

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图16 arduino ide中超声波测速实现程序

通过arduino可以实现测距和测速功能后,我们将程序思路移植到掌控板,编程环境还是用mixly,程序如下图17,图18所示
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图17 mixly中掌控板超声波测距程序

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图18 mixly中掌控板超声波测速程序

基本原理测试成功后,我们来看一下完成本次实验所使用的教具
以下是教具的简介
三、教具使用简介
1、教具的特色
a.低成本,简单易用;
b.可编程,有丰富的创造空间
c. 实时保存实验数据,保证了数据的准确性;
2、教具的制作方法
a.制作教具所需材料
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b.设计接线组装
1)利用cad设计图纸,采用激光切割加工3mm奥松板,设计亮点在于突出了掌控板的声音,光线,触摸【Y】【O】引脚以及RGB灯,尤其是两个触摸引脚,在外壳上就可以直接使用,图纸与实物如图19,图20,图21
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图19掌控板主控端结构设计图      

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图20数据测量端设计图

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图21掌控板主控端结构实物图      

3、线路连接
如图22,图23为传感器接线图和开关充电电路,两个红外传感器用来检测移动的物体,超声波传感器用来测量距离

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图22 传感器接线

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图23 开关充电电路

4、零件组装
        为了采集科学实验数据方便,特地设计了可折叠式的支架结构,如图24所示
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图24整体结构

如图25为实验装置测量时的状态
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图25实验装置测量状态

如图26,图27为局部图,两个圆孔为红外传感器的安装孔,以及超声波安装孔
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图26  红外传感器安装孔位      

超声波传感器前面很矮的挡条是为了挡住移动的小车不会撞击到超声波传感器,以免多次撞击后损坏超声波
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图27超声波传感器安装孔位

5、程序分析与源代码
(1) 原理分析
掌控板程序由【mixly】编写,如图28所示,两个红外传感器接掌控板p15和p16引脚,超声波传感器接p13,p14引脚,当第一个红外传感器检测到物体经过时信号会由1变为0,触发超声波进行测距,记录高电平持续时间time1,time1/58为第一次测量到的距离cm1,同时记录高电平持续前后的系统时间t1和t3,通过(t3+t1)/2得到第一次超声波碰到障碍物的时间ta
当第二个红外避障传感器检测到物体经过时信号会由1变为0,触发超声波进行第二次测距记录高电平持续时间time2,time2/58为第二次测量到的距离cm2,同时记录高电平持续前后的系统时间t2和t4,通过(t4+t2)/2得到第二次超声波碰到障碍物的时间tb
Cm=cm1-cm2为两次距离测量点的间距也就是位移△X,扩大10倍后将单位从cm换算成mm,两次测量点的时间间隔△t=tb-ta
通过公式v=△X/△t计算当前的速度,将速度显示在oled屏幕上并发送至串口绘制曲线图
(2)  程序源代码
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图28

四、实验展示教具使用方法
课程导入
    同学们乘坐汽车时都会在高速公路上看到限速的标志牌,比如限速120,如图29
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图29

这个速度是如何测量出来的呢,通过什么样的传感器测速可以知道汽车行驶过程中的真实速度,生活中都有哪些测量速度的方法?
生活中测量速度方法有很多种,高速公路上一般会使用电子警察测速,也就是摄像头,除此之外还有雷达测速,超声波测速等
本次实验我们来了解一下简单的超声波测速原理,如图30为教具展示
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图30 创新教具展示

下面来具体展示一下实验教具使用的案例
实验活动:利用超声波测量移动车辆的速度(此速度为平均速度)
实验准备:
准备一辆可以移动的小车如图31所示,特地加了砝码的原因是,增加重量让小车行驶的更加稳定
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图31 移动的小车

如下图32所示,使用3mm奥松板制作的测量装置,通过掌控板连接的红外传感器,当检测到移动的物体经过时,超声波开始工作记录数据

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图32 移动物体的速度测量装置      

实验步骤:
1)掌控板上传程序,掌控板连接红外传感器和超声波传感器,红外传感器的距离设置为4cm
2)小车在轨道中移动
3)两个红外传感器先后检测信号记录时间,超声波先后两次测量距离,计算速度
4)显示数据并向串口监视器发送数据
5)将红外传感器的距离(△X)依次增加至6cm,8cm,10cm
重复上述步骤测量速度
实验演示视频

实验结论:
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如图32,图33为 4cm,6cm,8cm,10cm,12cm测量结果显示在oled屏幕上和串口监视器中
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图32测量结果显示

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图33串口监视器的数据显示

通过以上实验可以得出结论:
在一些非精确要求测量的场合超声波可以实现速度测量
课堂讨论1:小车在轨道中移动的过程是匀速还是变速,如果是变速,是加速还是减速呢?
课堂提示:这时候可以增加红外避障传感器的数量,测量物体移动过程中的速度,如下图所示,拓展任务留给同学们去测试
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课堂讨论2:本次实验是否也可以增加联网的功能将数据进行远程传输呢
课堂提示:可以通过MQTT方式进行尝试回传数据
实验中需要注意到问题:
物体移动过程中,会受到哪些因素的影响,怎么样减少这些因素对实验的影响?超声波测距的精确度如何保证
五、结论(教具的演示结果的准确性;教具的可推广性)
本实验装置使用了掌控板及一些周边的传感器,和其他测速装置相比,成本低,结构器材采用激光切割的木板材料,可操作性强,实验操作简单快捷,数据采集方便直观,实验效果明显,可进行数据展示,可使用与教室演示和学生自主探究,有利于学生对本章节内容的学习和理解。
#改进#
在本次实验过程中偶尔会出现超声波测量的距离数值不正常的情况,仔细观察发现与小车的结构是否垂直于轨道有关系,由于小车是积木拼装的,当多次实验后会将积木撞倾斜导致测量的数据不精确,还有待改进的空间,可以选择更加精确一点的超声波传感器,并且对移动小车的结构进行改良
#总结#
本次《超声波测速》的实验让旺仔爸爸对超声波传感器有了新的认识,同样让旺仔爸爸反思,需要对很多常见的传感器重新使用一遍,做到不单单是会用,还要用好,应该深度挖掘,摸透一些传感器的用法,另外本次超声波测速实验是作为课堂实验教具的创新,不作为真实场景的速度测量工具
造物让生活更美好

接下来还会有更多的科学实验课程,欢迎关注【旺仔爸爸造物社】,一起期待下一期见
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