Установка розроблена для експериментального визначення швидкості звуку. Прилад можна використовувати на лабораторних роботах практикуму з фізики в 10-11 класах.

Як випромінювач і приймач ультразвуку використано готовий модуль HC-SR04 (рис 1).Нижче наведено технічні характеристики модуля HC-SR04:

Напруга живлення 4,5-6 В.

Струм спокою: < 2 мА

Робочий струм: 15 мА

Ефективний кут : 15⁰

Діапазон вимірюваних відстаней: 0,02-5 м.

Робоча частота 40 кГц.

Рис. 1.Зовнішній вигляд ультразвукового далекоміру HC-SR04

Принцип роботи далекоміру наступний. Під час подачі на вхід датчика Triger імпульсу довжиною не менше 10 мкс консоль Т (ультразвуковий випромінювач) випромінює вісім імпульсів частотою 40 кГц, та починається відлік часу. Після того, як посланий сигнал відіб’ється від перешкоди і потрапить на консоль R (ультразвуковий приймач), відлік часу припиняється. На виході Echo формується імпульс, довжина якого дорівнює часу, за який ультразвук долає відстань від випромінювача до перешкоди та назад (Рис 2). Знаючи відстань від датчика до перешкоди, можна визначити швидкість звуку.

Рис 2. Осцилограма роботи ультразвукового датчика

Максимальна відстань, яку вимірює датчик, складає 5 м. Це зв’язано з тим, що він працюють за принципом ехолокації. Відбитий сигнал має малу інтенсивність і для великих відстаней його важко зареєструвати. Якщо синхронізувати два датчики, один з яких служить випромінювачем, а інший - приймачем, можна збільшити вимірювальну відстань до 15 метрів. В результаті точність вимірювання швидкості звуку зросте.

Для керування датчиками використовується мікроконтролерний модуль Arduino Uno. Схема під’єднання датчиків до модуля Arduino Uno показано на рисунку 3.

Рис 3. Схема під’єднання датчиків до модуля Arduino Uno

Датчики температури і тиску дають можливість спостерігати залежність швидкості звуку від температури та атмосферного тиску. Виміряні установкою дані передаються через usb кабель на комп’ютер для подальшої обробки. Через usb кабель також подається напруга 5 В, для живлення установки. Для прийому даних комп’ютером можна використати монітор порту, що входить до стандартного програмного забезпечення Arduino. Для установки на мові програмування SmallBasic написана програма сервер, що приймає та відображає дані прийняті від Arduino. Вікно роботи програми показано на рисунку 4.

Рис 4. Вікно роботи програми, що приймає дані з Arduino

Можна запропонувати наступний алгоритм вимірювання швидкості звуку за допомогою описаної установки:

1. Зібрати установку підключивши ультразвукові датчики до мікроконтролерного модуля ArduinoUno , а модуль до USBпорту ПК.

2. Розмістивши ультразвукові датчики на відстані 2-3 м один від одного, виміряти відстань між ними.

3. Запустити на комп’ютері програму для прийому даних з послідовного порту.

4. За формулою обчислити швидкість звуку. l– відстань між датчиками, а t- середній час проходження звуком цієї відстані.

Текст програми для керування установкою на мові програмування Wiring.

#include<Wire.h> // бібліотека підтримки інтерфейсу I2C(TWI)

#include<BMP085.h> // бібліотека підтримки датчика BMP085

BMP085 dps = BMP085();

longTemperature = 0, Pressure = 0;// змінні температури та тиску

constintTrig = 8;

constintEcho = 10;

constintled_ready = 7;// індикатор готовності

constintled_measurement = 5;// індикація вимірювання

int i; // змінна циклу

intval;//змінна для читання стартового символа'H'

voidsetup()

{

pinMode(Trig, OUTPUT);

pinMode(Echo, INPUT);

pinMode(led_ready, OUTPUT);

pinMode(led_measurement, OUTPUT);

Serial.begin(9600);

Wire.begin(); //підключення до шини i2c

delay(1000);

dps.init(); // підключення датчика BMP085

}

longtime_us=0;

voidloop()

{

digitalWrite(led_ready, HIGH); // індикація готовності

if (Serial.available()) //якщо є принятий символ

{ val = Serial.read(); // читаємо його і прсвоюємо його значення змінній val

if (val == 'H') // якщо цей символ Н

{Serial.println(" ");

Serial.println("***************");

Serial.println("Time(mks):");

digitalWrite(led_ready, LOW);

digitalWrite(led_measurement, HIGH); // індикація вимірювання

i=0; // обнулити лічильник кількості вимірювань часу

{ while (i<=10)

{//Визначаємо час HC-SR04

digitalWrite(Trig, HIGH); // Подаємо сигнал високого рівня на вихід микроконтроллера

delayMicroseconds(100); // Тримаємо 100 мікросекунд

digitalWrite(Trig, LOW); // Подаємо сигнал низького рівня - посилається уз сигнал

time_us=pulseIn(Echo, HIGH); // Вимірюємо довжину імпульса

Serial.println(time_us); // Виводимо у COM порт

delay(200);

i++;

}

//Визначаємо тиск і температуру BMP-180

dps.getPressure(&Pressure);

dps.getTemperature(&Temperature);

Serial.print("Atmospherepressure(mm Hg):");

Serial.println(Pressure/133.3,1); //Виводимо значення тиску в мм.рт.ст.

Serial.print("Airtemperature (degreesCelsius):");

Serial.println(Temperature*0.1,1); // Виводимо температуру в градусах Цельсія

delay(50);

digitalWrite(led_measurement, LOW); //Вимірювання закінчено

}

}

}

}

Зовнішній вигляд установки показаний на рисунках 5 та 6.

Рис 5.

Рис 6.

Гребенщиков Сергій Валентинович вчитель фізики Давидівобрідської загальноосвітньої школи І-ІІІ ступенів serggreb1960@gmail.com