一個地球人在臺北: 超音波測距模組

作者：王一哲
日期：2016/5/10

超音波測距模組運作原理

模組先發射超音波，超音波撞到物體反射回模組，測量發射、反射、接收所需要的時間，再由時間計算物體與模組間的距離。由於物體必須反射超音波，物體最好有一個不算太小、平滑的反射面。在網路上找到的範例程式通常會用以下的程式碼計算距離

cm = pulseIn(echoPin, HIGH) / 29.41 / 2.00

上式當中 pulseIn(echoPin, HIGH) 會讀取指定的接腳 echoPin 的電壓值為高電位的時間（單位為微秒，microsecond, μs），也就超音波測距模組發出訊號到訊號反射回來被接收到所經過的時間，但我們只需要發出訊號到撞到物體所經過的時間 t ，因此需要將回傳的數值除以 2。29.41 則是超音波在空氣中前進 1cm 所花的時間（單位為μs），將 t 除以 29.41 即為物體與模組間的距離（單位為 cm）。 29.41 的來源如下 $$ t_0 = \frac{0.01}{340} \approx 2.941 \times 10^{-5} ~\mathrm{s} = 29.41 ~\mathrm{\mu s} $$ 如果需要更精準的數據，可以由氣溫計算空氣中的聲速 $$ v = 331 + 0.6 T ~\mathrm{m/s} $$ 再將較準確的聲速代入上式中。另外也可用改用帶有溫度補償的模組 US-100，但是需要的程式碼就會有點不同。

超音波測距模組 HC-SR04，售價約80元。

超音波測距模組帶溫度補償 US-100，售價約150元。

（圖片來源：http://www.playrobot.com/2262-thickbox_default/us-100-.jpg）

電路圖及程式碼

這個實驗只需要用到4個接腳，VCC 接到板子上的 5 V，GND 接到板子上的 GND，另外我選擇將 Trig 接到板子上的6號，Echo 接到板子上的5號，最後用USB線將板子連接到電腦即可。

HC-SR04 實驗電路圖

/* 實驗4：超音波測距                                    *
 *        使用HC-SR04超音波感測器，可探測距離2cm-400cm *
 *        精度為 0.3 cm，感應角度為 15 度               *
 * 日期：Feb. 1, 2016                                   *
 * 作者：王一哲                                         */
const int trigPin = 6;
const int echoPin = 5;
float cm;

void setup() {
  // put your setup code here, to run once:
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

void loop() {
  // put your main code here, to run repeatedly:
  // 輸入低、高、低電位給trigPin
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
/* 計算距離值
 * 音速340m/s時前進1cm所需時間 t = 0.01/340 = 29.41 microsedonds 
 * pulseIn 測得的時間為訊號發出、反射、接收所需時間，要除以2
 * distance = pulseIn(echoPin, HIGH) / 29.41 / 2.00
 */
  cm = pulseIn(echoPin, HIGH) / 29.41 / 2.00 ; //將回波時間換算成cm
  //cm = (int(cm*100.0))/100.0; //保留2位小數
  Serial.print(cm);
  Serial.println(" cm");
  delay(1000);
}

Arduino的程式碼主要分為3個部分：