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[经验] 【Arduino】66种传感器模块系列实验(58)---超声波测距传感器

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  • TA的每日心情
    擦汗
    2019-7-21 06:25
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    [LV.6]常住居民II

    发表于 2019-7-11 08:32 | 显示全部楼层 |阅读模式
    37款传感器与模块的提法,在网络上广泛流传,其实Arduino能够兼容的传感器模块肯定是不止37种的。鉴于本人手头积累了一些传感器和模块,依照实践(动手试试)出真知的理念,以学习和交流为目的,这里准备逐一做做实验,不管能否成功,都会记录下来---小小的进步或是搞不掂的问题,希望能够抛砖引玉。

    实验五十八: HC-SR04超声波测距传感器模块(5针宽电压)

    超声波探头
    是在超声波检测过程中发射和接收超声波的装置。探头的性能直接影响超声波的特性,影响超声波的检测性能。在超声检测中使用的探头,是利用材料的压电效应实现电能、声能转换的换能器。探头中的关键部件是晶片,晶片是一个具有压电效应的单晶或者多晶体薄片,它的作用是将电能和声能互相转换。
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     楼主| 发表于 2019-7-12 05:50 | 显示全部楼层
    Arduino 系列传感器和模块实验目录清单:
    一块扩展板完成Arduino的9类18项实验(代码+图形+仿真)
    https://www.arduino.cn/thread-88696-1-1.html
    实验一:干簧管传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-86350-1-1.html
    实验二:光敏电阻传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-86393-1-1.html
    实验三:微波雷达感应开关模块
    https://www.arduino.cn/thread-86397-1-1.html
    实验四:振动传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-86512-1-1.html
    实验五:热敏电阻温度传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-86520-1-1.html
    实验六:KY-038高感度声音传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-86576-1-1.html
    实验七:旋转电位器模块
    https://www.arduino.cn/thread-86866-1-1.html
    实验八:湿度传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-87993-1-1.html
    实验九:火焰(红外线)传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-88283-1-1.html
    实验十:敲击传感器模块KY-031
    https://www.arduino.cn/thread-88401-1-1.html
    实验十一:金属触摸传感器模块KY-36
    https://www.arduino.cn/thread-88422-1-1.html
    实验十二:开关霍尔磁力传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-88461-1-1.html
    实验十三:触摸传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-88523-1-1.html
    实验十四:倾斜传感器模块(角度开关)
    https://www.arduino.cn/thread-88530-1-1.html
    实验十五:手指侦测心跳传感器模块KY-039
    https://www.arduino.cn/thread-88557-1-1.html
    实验十六:电容式数字触摸传感器模块(TTP223 )
    https://www.arduino.cn/thread-88567-1-1.html
    实验十七:HC-SR312微型热释电传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-88578-1-1.html
    实验十八:0.25W太阳能滴胶板传感器模块(45X45毫米)
    https://www.arduino.cn/thread-88669-1-1.html
    实验十九:常闭型SW-420震动开关传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-88672-1-1.html
    实验二十:水银开关传感器模块(KY-017)
    https://www.arduino.cn/thread-88787-1-1.html
    实验二十一:激光头传感器模块(KY-008)
    https://www.arduino.cn/thread-88842-1-1.html
    实验二十二:MAX7219点阵显示模块(8X8 LED共阴)
    https://www.arduino.cn/thread-88851-1-1.html
    实验二十三:NE555频率可调脉冲发生器模块(方波简版)
    https://www.arduino.cn/thread-88867-1-1.html
    实验二十四:水位水滴传感器模块(Water Sensor)
    https://www.arduino.cn/thread-88886-1-1.html
    实验二十五:MQ-2气敏式烟雾传感器模块(甲烷等)
    https://www.arduino.cn/thread-88906-1-1.html
    实验二十六:4X4矩阵键盘模块(轻触式按键)
    https://www.arduino.cn/thread-88966-1-1.html
    实验二十七:GY-BMP280-3.3 高精度大气压强传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-89010-1-1.html
    实验二十八:三色5050 RGB全彩LED模块 KY-009
    https://www.arduino.cn/thread-89022-1-1.html
    实验二十九:DS1302实时时钟模块(带电池  掉电走时)
    https://www.arduino.cn/thread-89070-1-1.html
    实验三十:光敏二极管传感器模块(英语photodiode )
    https://www.arduino.cn/thread-89129-1-1.html
    实验三十一:ISD1820录音语音模块(8-20秒)
    https://www.arduino.cn/thread-89154-1-1.html
    实验三十二:雨滴传感器模块(雨水/雨量/叶面湿度)
    https://www.arduino.cn/thread-89184-1-1.html
    实验三十三:ESP8266串口WIFI收发无线模块 (ESP-01S)
    https://www.arduino.cn/thread-89245-1-1.html
    实验三十四:三色LED交通灯模块(红绿黄灯)
    https://www.arduino.cn/thread-89273-1-1.html
    实验三十五:模拟量声音传感器模块(4线制)
    https://www.arduino.cn/thread-89289-1-1.html
    实验三十六:WS2812B智能外控集成LED四位彩灯模块
    https://www.arduino.cn/thread-89297-1-1.html
    实验三十七:MQ-3酒精乙醇传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-89300-1-1.html
    实验三十八:joystick双轴XY按键摇杆模块(游戏控制杆)
    https://www.arduino.cn/thread-89365-1-1.html
    实验三十九:DS18B20单总线数字温度传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-89368-1-1.html
    实验四十:360度旋转增量编码器模块(KY-040)
    https://www.arduino.cn/thread-89427-1-1.html
    实验四十一:IS0203激光接收管传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-89428-1-1.html
    实验四十二:DSM501A韩国PM2.5灰尘粉尘传感器模块
    https://www.arduino.cn/thread-89441-1-1.html
    实验四十三:5V低电平触发单路继电器模块
    https://www.arduino.cn/thread-89445-1-1.html
    实验四十四:类比霍尔磁性传感器 KY-035(模拟量)
    https://www.arduino.cn/thread-89464-1-1.html
    实验四十五:红外避障传感器模块(光电接近开关)
    https://www.arduino.cn/thread-89473-1-1.html
    实验四十六:350Ω高精度电阻式应变片传感器 (BF350)
    https://www.arduino.cn/thread-89474-1-1.html
    实验四十七:七段LED数码管模块(共阴/共阳)
    https://www.arduino.cn/thread-89475-1-1.html
    实验四十八:GY-291三轴重力加速度模块 (IIC/SPI传输)
    https://www.arduino.cn/thread-89567-1-2.html
    实验四十九:有源蜂鸣器报警器发声模块(低电平触发)
    https://www.arduino.cn/thread-89568-1-2.html
    实验五十:W25Q64 FLASH外扩存储模块 (SPI接口 )
    https://www.arduino.cn/thread-89570-1-2.html
    实验五十一:自锁点动触摸按键传感器模块(TTP223芯片)
    https://www.arduino.cn/thread-89721-1-1.html
    实验五十二:SPI接口Micro SD卡模块(带电平转换芯片)
    https://www.arduino.cn/thread-89729-1-1.html
    实验五十三: 土壤湿度水分传感器模块(电阻式)
    https://www.arduino.cn/thread-89734-1-1.html
    实验五十四: 大按键点动轻触开关模块(高电平输出)
    https://www.arduino.cn/thread-89785-1-1.html
    实验五十五:DHT11 温湿度传感器(数字型单总线通信)
    https://www.arduino.cn/thread-89786-1-1.html
    实验五十六: 8路LED流水的灯跑马灯模块SUNLEPHANT
    https://www.arduino.cn/thread-89832-1-1.html
    实验五十七: 四档频率占空比可调矩形波信号发生器(NE555)
    https://www.arduino.cn/thread-89868-1-1.html
    实验五十八: HC-SR04超声波测距传感器模块(5针宽电压)
    https://www.arduino.cn/thread-89869-1-1.html
    实验五十九: RS232转TTL2代串口模块刷机板(MAX3232)
    https://www.arduino.cn/thread-89895-1-1.html
    实验六十:ATTINY85 Digispark kickstarter 微型usb开发板
    https://www.arduino.cn/thread-89898-1-1.html

  • TA的每日心情
    奋斗
    2019-7-17 00:00
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    [LV.6]常住居民II

    发表于 2019-7-12 16:25 | 显示全部楼层
    能够坚持真的不错,给你点个赞
    打赏作者鼓励一下!
  • TA的每日心情
    擦汗
    2019-7-21 06:25
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    [LV.6]常住居民II

     楼主| 发表于 2019-7-12 18:56 | 显示全部楼层
    新手之帆 发表于 2019-7-12 16:25
    能够坚持真的不错,给你点个赞

    谢谢鼓励,
    困难不少,我也在努力坚持中,能多久就不知道了
  • TA的每日心情
    擦汗
    2019-7-21 06:25
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     楼主| 发表于 2019-7-13 15:10 | 显示全部楼层
    菲律宾眼镜猴会用超声波进行交流
    菲律宾眼镜猴因为一双又圆又大且水汪汪的茶色大眼睛而被人们所知,在人们的印象中它有着让人难以置信的小型身材,在它们小小的脸庞上,长着两只圆溜溜的特别大的眼睛,眼珠的直径可以超过1厘米,和它的小身体很不相称,好像戴着一副特大的旧式老花眼镜。所以,人们给它起了一个十分形象的名字:眼镜猴。它们大多时候都是“沉默寡言”的形象。但来自加利福尼亚洪堡加州州立大学的科学家近日研究发现,其实菲律宾眼镜猴是不折不扣的“话匣子”,它们时刻都在发出一种超声波,只不过捕食者无法听到而已。据了解,研究人员发现这种眼镜猴发出声音的“最小频率”可达到67千赫,比陆地上任何一种啮齿动物和蝙蝠发出的音量都要高很多,甚至偶尔还能飙升到70千赫。众所周知,任何声音只要达到20千赫以上,就很难被人们所听见,就连听力一向很敏锐的狗,也只能听到23千赫的声音。而眼镜猴甚至可以直接听到90千赫的声音。最为特别的是,在眼镜猴的群体中彼此传递着一种秘密的语言,这种语言会提醒对方注意捕食者的危险。研究人员表示,超声波的音频对信号发出者和接受者都十分有用,因为这样捕食者就很难从声音的来源进行定位,这样寻找起来就十分有难度了。甚至眼镜猴还可以在猎物旁“窃窃私语”,它们所捕捉的典型猎物为蟋蟀、螳螂、以及蛾子等昆虫,最为特别的是,眼镜猴还能自动屏蔽使它们分散注意力的低周波丛林噪音。研究人员表示,在动物王国不仅眼镜猴有这样的超能力,鲸鱼和猫也同样能够在超声波范围内彼此沟通交流。

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    擦汗
    2019-7-21 06:25
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     楼主| 发表于 2019-7-13 15:24 | 显示全部楼层
    超声波
    蝙蝠和某些海洋动物都能够利用高频率的声音进行回声定位或信息交流。它们能通过口腔或鼻腔把从喉部产生的超声波发射出去,利用折回的声波来定向,并判定附近物体的位置、大小以及是否在移动。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。

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    2019-7-21 06:25
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     楼主| 发表于 2019-7-13 15:38 | 显示全部楼层
    超声效应
    超声效应:当超声波在介质中传播时,由于超声波与介质的相互作用,使介质发生物理的和化学的变化,从而产生一系列力学的、热学的、电磁学的和化学的超声效应,包括以下4种效应:
    ①机械效应。超声波的机械作用可促成液体的乳化、凝胶的液化和固体的分散。当超声波流体介质中形成驻波时,悬浮在流体中的微小颗粒因受机械力的作用而凝聚在波节处,在空间形成周期性的堆积。超声波在压电材料和磁致伸缩材料中传播时,由于超声波的机械作用而引起的感生电极化和感生磁化(见电介质物理学和磁致伸缩)。
    ②空化作用。超声波作用于液体时可产生大量小气泡。一个原因是液体内局部出现拉应力而形成负压,压强的降低使原来溶于液体的气体过饱和,而从液体逸出,成为小气泡。另一原因是强大的拉应力把液体“撕开”成一空洞,称为空化。空洞内为液体蒸气或溶于液体的另一种气体,甚至可能是真空。因空化作用形成的小气泡会随周围介质的振动而不断运动、长大或突然破灭。破灭时周围液体突然冲入气泡而产生高温、高压,同时产生激波。与空化作用相伴随的内摩擦可形成电荷,并在气泡内因放电而产生发光现象。在液体中进行超声处理的技术大多与空化作用有关。
    ③热效应。由于超声波频率高,能量大,被介质吸收时能产生显著的热效应。
    ④化学效应。超声波的作用可促使发生或加速某些化学反应。例如纯的蒸馏水经超声处理后产生过氧化氢;溶有氮气的水经超声处理后产生亚硝酸;染料的水溶液经超声处理后会变色或退色。这些现象的发生总与空化作用相伴随。超声波还可加速许多化学物质的水解、分解和聚合过程。超声波对光化学和电化学过程也有明显影响。各种氨基酸和其他有机物质的水溶液经超声处理后,特征吸收光谱带消失而呈均匀的一般吸收,这表明空化作用使分子结构发生了改变。

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     楼主| 发表于 2019-7-13 16:16 | 显示全部楼层
    超声探头
    是利用超声波的特性而研制的传感器,超声波传感器的典型结构如图所示。它是把成正方形的两个压电晶片(亦称双晶振子)按照相反的极性粘贴在一起,再引出两个电极。压电晶片上面有金属震动板和圆锥形振子。圆锥形振子具有很强的方向性,便于发送和接收超声波。超声波传感器采用金属或塑料外壳,其顶部有屏蔽栅。

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    2019-7-21 06:25
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    [LV.6]常住居民II

     楼主| 发表于 2019-7-13 16:20 | 显示全部楼层
    超声探头性能指标
    探头的核心是其塑料外套或者金属外套中的一块压电晶片。构成晶片的材料可以有许多种。晶片的大小,如直径和厚度也各不相同,因此每个探头的性能是不同的,我们使用前必须预先了解它的性能。超声波传感器的主要性能指标包括:
    1、工作频率
    工作频率就是压电晶片的共振频率。当加到它两端的交流电压的频率和晶片的共振频率相等时,输出的能量最大,灵敏度也最高。
    2、工作温度
    由于压电材料的居里点一般比较高,特别是诊断用超声波探头使用功率较小,所以工作温度比较低,可以长时间地工作而不失效。医疗用的超声探头的温度比较高,需要单独的制冷设备。
    3、灵敏度
    主要取决于制造晶片本身。机电耦合系数大,灵敏度高;反之,灵敏度低。
    4、指向性
    超声波传感器探测的范围。

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    2019-7-21 06:25
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     楼主| 发表于 2019-7-13 16:47 | 显示全部楼层
    本帖最后由 eagler8 于 2019-7-13 17:11 编辑

    测距原理
    超声波具有频率较高,沿直线传播、方向性好、绕射小、穿透力强、传播速度慢(约340m/s,与声速相同)等特点。超声波对固体和液体的穿透能力强,尤其对于在阳光下不透明的固体,可以穿透几十m的深度。超声波遇到杂质或分界面时会产生反射波,利用这一特性可构成超声波探伤仪或测距仪。超声波遇到移动物体时会产生多普勒效应(DopplerEffect),使接收到的频率发生变化,由此可制成多普勒测距系统。超声波测距原理是超声波发射探头发出的超声波脉冲,经媒质(空气)传到物体表面,反射后通过媒质(空气)传到接收探头,测出超声脉冲从发射到接收所需的时间,根据媒质中的声速,求得从探头到物体表面之间的距离。设探头到物体表面的距离为L,超声在空气中的传播速为v,从发射到接收所需的传播时间为t,则有:L=vt/2。由此可见,被测距离L与传播时间之间具有确定的函数关系,只要能测出时间t,即可求出距离L,通过软件实现直接在显示器上显示L的值。

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