超音波

超音波是指超出人耳所能聽到的頻率 20KHz 的音波, 人類的聽覺一般只能聽到 20Hz~20KHz 左右的音域, 但某些動物如狗, 海豚或蝙蝠等, 可以聽到 20KHz 以上的超音波, 例如海豚利用超音波傳遞溝通訊息; 而蝙蝠則利用超音波在飛行中定位以避開障礙物
超音波於 19 世紀被發現, 並於第一次世界大戰首次應用於潛水艇之偵測, 如今在工業, 醫學, 與農業上都有廣泛之應用, 例如非破壞性檢測中的孔隙偵測, 孕婦姙娠掃描, 人體組織斷層掃描, 物件清洗, 以及蔬果品質檢測等等
在空氣中傳遞的超音波其頻率在 20K~200KHz 之間，頻率越高，衰減程度越大，可傳播的距離越短。
一般常用的超音波模組，其頻率通常是 38K，40K，或 42KHz 這三種。

HC-SR04

HC-SR04 超音波模組使用的是 40KHz 的超音波，可探測距離為 2cm~400cm。
有 Vcc (5V)、Gnd、Trig、Echo 四隻接腳
T：發送超音波
R：接收超音波

電源：DC5V/2mA(只能5V供電)
輸出電位( 1/ 0)：5V/ 0V
精度：1cm
距離範圍：2 ~ 450cm
有效的角度：<15度
觸發輸入信號：10uS TTL pulse

HC-SR04P

HC-SR04P 超音波測距糢組是 HC-SR04的升級版
寬電壓的輸入範圍：DC3V～5.5V

HC-SR04 模組工作原理

採用I/O觸發測距
給 Trig 一個 10 us 寬度的脈波，啟動模組，模組就會發射8 個 40k Hz 的聲波，Echo 會由低電位變成高電位，直到接收到反射回來的超音波，Echo 會由高電位變回低電位。
要特別注意的地方是被測物體最好大於 0.5 平方公尺，而 Trig 時間間隔最好大於 60ms，避免 Trig 與 Echo 互相干擾。

HC-SR04 模組測量距離原理

超音波測距的原理是利用一個超音波發射器與一個接收器組成的模組來量測音波從發射到收到反射波的時間，乘以音速即可得到音波往返的距離，除以 2 即得與反射物體間的距離。

Q：

在常溫 20 度時, 音速是 344 m/s。

344 m/s = cm/us(公分/微秒)

推導

HC-SR04 的 Echo 腳輸出的高位準脈衝，其時長即是超音波往返所花的時間(duration)(us)。

距離 = 速率 * 時間

distance = (duration/2) * 0.0344 cm/us

= (duration/2) * 1/29 cm = (duration/2)/29 cm

= (duration/58 cm)

HC-SR04 的 Echo 腳輸出的高位準脈衝，其時長即是超音波往返所花的時間，用 Arduino 的 pulseIn() 函數量取 Echo 的脈衝時長(單位：微秒)，再除以 58, 即可得到與反射超音波的障礙物之間的距離是幾公分了。

duration = pulseIn()

distance = (duration/2) * 0.0344 cm

= duration/58 cm

若設定好 HC-SR04 超音波模組與障礙物之間的距離(objectDistance)，用 Arduino 的 pulseIn() 函數量取 Echo 的脈衝時長 duration(單位：微秒)，依速率 = 距離 / 時間，即可得到聲波在空氣中的傳輸速率了。

速率 = 距離 / 時間

duration = pulseIn()

speed = distance / (duration/2) cm/us

= m/s

語法

setup()

pinMode(trigPin, OUTPUT);

pinMode(echoPin, INPUT);

loop()

digitalWrite(trigPin, HIGH);

delayMicroseconds(10); //sustain at least 10us HIGH pulse

digitalWrite(trigPin, LOW);

pulseIn(echoPin, HIGH);

pulseIn(pin, value)

pulseIn(pin, value, timeout)

此函數有 2 或 3 個參數：

第一參數 pin 是 Arduino 接 HC-SR04 的 Echo 腳之 DIO 數位腳位編號。第二參數 value 是要偵測的位準 (LOW/HIGH)，對於 HC-SR04 而言要用 HIGH。第三參數 timeout 是等候脈衝出現的延遲時間 (單位是微秒)，預設是 1 秒 (即 1000000us)，如果在 timeout 時間內未偵測到脈衝，則回傳 0。