【雕爷学编程】Arduino动手做（58）---HC-SR04超声波传感器模块2

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执行器模块，依照实践出真知（一定要动手做）的理念，以学习和交流为目的，这里准备逐一动手试试多做实验，不管成功与否，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。

【Arduino】168种传感器模块系列实验（资料代码+仿真编程+图形编程）
实验五十八：宽电压HC-SR04超声波模块3.3V-5V 测距离传感器板 带UART IIC接口

知识点：声音和超声波
一、声音（sound）
1、声音是振动产生的声波，通过介质（气体、固体、液体）传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。声音的频率一般会以赫兹表示，记为Hz，指每秒钟周期性震动的次数。而分贝是用来表示声音强度的单位，记为dB。

声音是一种波动，当演奏乐器、拍打一扇门或者敲击桌面时，声音的振动会引起介质——空气分子有节奏的振动，使周围的空气产生疏密变化，形成疏密相间的纵波，这就产生了声波，这种现象会一直延续到振动消失为止。 声音总可以被分解为不同频率不同强度正弦波的叠加。这种变换（或分解）的过程，称为傅里叶变换。因此，一般的声音总是包含一定的频率范围。人耳可以听到的声音的频率范围在20到2万赫兹（Hz）之间。高于这个范围的波动称为超声波，而低于这一范围的称为次声波。

文言文中，“声”特指人声，而“音”特指其他声音；而在现代汉语中，“声”与“音”意思已混同为“声音”，并简称为“声”或“音”，而文言文中“声”在现代汉语中被称为“人声”。日语中则仍保留文言文中的区别。

2、声学是一个跨领域的科学，研究的声音是振动产生的声波，通过介质（空气或固体、液体）传播并能被人或动物听觉器官所感知的波动现象。声音的频率一般会以赫兹表示，记为Hz，指每秒锺周期、液体及固体的机械波，包括振动、声音、超声波和次音波等。声学中和工程有关的部分称为声学工程，和负责录音、声音处理、混音及声音复制的音响工程不同。

声学的应用几乎和在现代社会的每个层面都有关，其子领域包括航空声学、声音信号处理、建筑声学、生物声学、电子声学、环境声学、音乐声学、噪音控制、心理声学、说话、超声波、水下声学及振动。

3、声音的特性
（1）响度（loudness）：人主观上感觉声音的大小（俗称音量），由“振幅”（amplitude）和人离声源的距离决定，振幅越大响度越大，人和声源的距离越小，响度越大。（单位：分贝dB）
（2）音调（pitch）：声音的高低（高音、低音），由“频率”（frequency）决定，频率越高音调越高（频率单位Hz（hertz），赫兹，人耳听觉范围20～20000Hz。20Hz以下称为次声波，20000Hz以上称为超声波）例如，低音端的声音或更高的声音，如细弦声。
（3）频率是每秒经过一给定点的声波数量，它的测量单位为赫兹，是以海因里希·鲁道夫·赫兹的名字命名的。此人设置了一张桌子，演示频率是如何与每秒的周期相关的。1千赫或1000赫表示每秒经过一给定点的声波有1000个周期，1兆赫就是每秒钟有1,000,000个周期，等等。
（4）音色（Timbre）：又称音品，波形决定了声音的音色。声音因物体材料的特性而不同，音色本身是一种抽象的东西，但波形是把这个抽象直观的表现。波形不同，音色则不同。不同的音色，通过波形，完全可以分辨的。
（5）乐音：有规则的让人愉悦的声音。噪音：从物理学的角度看，由发声体作无规则振动时发出的声音；从环境保护角度看，凡是干扰人们正常工作、学习和休息的声音，以及对人们要听的声音起干扰作用的声音。

音调，响度，音色是乐音的三个主要特征，人们就是根据他们来区分声音。当两个物体碰撞后振动产生声音时，若两者振动频率比为不可化简的复杂比，如：201：388，那么我们分辨出来会觉得这个声音刺耳；相反，若两者振动频率比为可化简的简单比，如：3：7，那么我们分辨出来会觉得很动听（毕达哥拉斯发现）。

4、声音的接收。“声音”一词在生理学及心理学上的定义是指大脑所接收到的声音，和物理学的定义略有差异，心理声学中有许多心理学和声学有关的研究。不过有时声音只是指频率在人类或其他动物听觉范围内的振动。

任何器官所接收的声音频率都有其范围限制。人类的耳朵一般只能听到约在20Hz至20,000 Hz（20kHz）范围内的声音，其上限会随年龄增加而降低。其他物种动物的听觉频率范围也有所不同，像狗可以听到超过40kHz的声音，但无法听到40 Hz以下的声音。不同物种动物的听觉频率范围如下：
蝙蝠：1000～120000Hz
海豚：150～100000Hz
猫：60～65000Hz
狗：40～50000Hz
人：20～20000Hz

动物重要感官中的听觉即是接收声音。对动物而言，声音有侦测危险、导航、捕食及沟通等作用。地球的大气、水及许多自然界现象（像火、雨、风、海浪、地震）都产生其独特的声音。像蛙、鸟及哺乳动物也都发展出产生声音的器官。人类的语言也是借由声音来传递，是文化重要的一环，人类也发展出产生、录制、传送及播放声音的技术。因为人类耳朵听觉范围的频率上限会随年龄而下降，也就表示年轻人可以听到的高频率声音，年龄较大的人不一定听得到。因此有些设备故意发出只有年轻人可以听到的高频率，可以制止年轻人集会，而不会影响其他年龄的人，称为蚊音器。

二、超声波（Ultrasound）
1、超声波，是指任何声波或振动，其频率超过人类耳朵可以听到的最高阈值20kHz（千赫）。超音波由于其高频特性而被广泛应用于医学、工业、情报等众多领域。某些动物，如狗、海豚、以及蝙蝠等都有着超乎人类的耳朵，也因此可以听到超声波。亦有人利用这个特性制成能产生超音波来呼唤狗只的犬笛。人类听觉能察觉的波动，称之为声音，此时之音波称为可听波。而所谓超音波，物理性质与与可听波相同，只能透过具有弹性与惯性介质（如空气），其利用空气分子产生膨胀或压缩的运动而传播其波动；因此，音波与超音波均无法在真空中传播。

2、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。

3、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。

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。

5、超声波在媒质中的反射、折射、衍射、散射等传播规律，与次声波和可听声波的规律没有本质上的区别。但是超声波的波长很短，只有几厘米，甚至千分之几毫米。与其他波比较，超声波具有许多特性：传播特性──超声波的波长很短，通常的障碍物的尺寸要比超声波的波长大好多倍，因此超声波的穿透力差，衍射本领很差，易散射。它在均匀介质中能够直线传播但难以衍射，超声波的波长越短，该特性就越显著，此外，根据瑞利散射定律，散射波的强度与波长的四次方成反比，超声波的波长极短，因此散射就非常严重，穿透力不佳。空化作用──当超声波在介质的传播过程中，存在一个正负的交变周期，在正相位时，超声波对介质分子挤压，改变介质原来的密度，使其增大；在负压相位时，使介质分子稀疏，进一步离散，介质的密度减小，当用足够大强度的超声波作用于液体介质时，介质分子间的平均距离会超过使液体介质保持不变的临界分子距离，液体介质就会发生断裂，形成微泡。这些小空洞迅速胀大和闭合，会使液体微粒之间发生猛烈的撞击作用，从而产生几千到上万个大气压的压强。微粒间这种剧烈的相互作用，起到了很好的搅拌作用，从而使两种不相溶的液体（如水和油）发生乳化，且加速溶质的溶解。这种由超声波作用在液体中所引起的各种效应称为超声波的空化作用。

6、超声波的主要特点
（1）超声波在传播时，波长短，具有各向异性。
（2）超声波能在各种不同媒质中传播，且可传播足够远的距离。
（3）超声波与传声媒质的相互作用适中，易于携带有关传声媒质状态的信息诊断或对传声媒质产生效用及治疗。
（4）超声波可在气体、液体、固体、固熔体等介质中有效传播。
（5）超声波会产生反射、干涉和叠加现象。
超声波是一种波动形式，它可以作为探测与负载信息的载体或媒介用作诊断；超声波同时又是一种能量形式，当其强度超过一定值时，它就可以通过与传播超声波的媒质的相互作用，去影响、改变以致破坏后者的状态、性质及结构用作治疗。

7、超音波测距
通过超音波发射装置发出超音波，根据接收器接到超音波的时间差就可以知道距离，与雷达测距原理相似。超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为v=340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离s，即：

知识点：超声波探头与HC-SR04超声波测距传感器模块
一、超声波探头（Ultrasound probe）
1、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，作用是将电能和声能互相转换。

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20KHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射成回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。

2、超声波探头内部结构
其典型结构主要由两片压电元件紧贴在一起组成双形态发送与接收的核心元件，采用金属或塑料外壳，其顶部有屏蔽栅。发送器的压电元件上装有锥形共振盘，可提高发射效率；接收器的压电元件上装有匹配器，用来提高接收效率。

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。

二、超声波测距（Ultrasonic ranging）
1、由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。为了使移动机器人能自动避障行走，就必须装备测距系统，以使其及时获取距障碍物的距离信息（距离和方向）。介绍了三方向（前、左、右）超声波测距系统，就是为机器人了解其前方、左侧和右侧的环境而提供一个运动距离信息。在超声波测距中,通常因温度和时间检测的误差,使得测距的精度不够高。

2、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。

3、位差测距
超声波传感器与单片机系统进行接口构成距离检测的硬件系统，在系统软件的控制下，单片机向位差超声波传感器发送的一个触发脉冲，位差超声波传感器被此脉冲触发后会产生一道短40 kHz的脉冲电信号，此40 kHz的脉冲电信号通过激励换能器处理以后，将转换成机械振动的能量，其振动频率约在20 kHz以上，由此形成了超声波，该信号经锥形"辐射口"处将超声波信号在空气中以每秒约1 130英尺的速度向外发射出去。当发射出去的超声波信号遇到障碍物以后，立即被反射回来。接收器接收到反射回来的超声波信号后，通过其内部转换，将超声波变成微弱的电振荡，并将信号进行放大，就可得到所需的脉冲信号，此脉冲信号再返回给单片机，表示回波被探测，这个脉冲宽度就是对应于爆裂回声返回到传感器所需时间，其时序如图所示。