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当物体振动时会发出声音，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）.人类耳朵能听到的声波频率为20 Hz-20000 Hz.因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”.超声波具有方向性好、穿透能力强、易于获得较集中的声能等特性，在测距、测速等方面具有广泛应用.本文结合高中物理数字键、化实验开发实例，阐述如何利用arduino平台实现超声波测距和数据采集，实现精确、直观、高效率的实验测量和数据处理.
1超声波测距原理及方案对比
超声波测距有两种常见方案，一种是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23页所示的方案，把超声波发射器件和接收器件分别置放在所测距离的起点和终点，在红外线遥控器件辅助下计算超声波从起点至终点的时间Δt，再根据s=v·Δt求得距离.另一种方案可称为“反射式”，是把超声波发射器件和接收器件并列安装在起点处，然后测得超声波从发射到经过终点反射回来被接受到的时间差Δt，再根据s=v·（Δt/2）求得距离.方案一的测量精度较高，但实现较繁琐、使用也不便，方案二的测试时间是方案一的两倍、理论上误差也翻倍，但使用较为方便、所需模块也更易于购置，因此我们采用了方案二“反射式”测距方式.
常见的“反射式”超声波测距模块有SR系列、US系列等，表1是我们试用过的几种模块的电性能参数，看上去都属于民用产品、差别并不大，因此网上的超声波测距应用都采用了常见且廉价的HC-SR04模块.但事实上HC-SR04模块和US-016模块并不能满足中学物理实验的必备要求，很多人都忽略了测量频率的问题，下面试分析之.
如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5节《自由落体运动》教学中，研究自由落体加速度（重力加速度）是一个非常重要的课堂演示实验，传统上采用打点计时器在纸带上打点记录距离，测量的频率是50 Hz，如果要用超声波测距代替打点计时器，那么测量频率同样必须达到50 Hz，也就是说测量周期不能大于20 ms.而几种模块不同的输出方式导致了他们实际输出效果的区别：
（1） HC-SR系列模块的测量时序如图1，它的测量结果是以脉冲时长的方式输出的，导致测量周期是超声波从起点到终点传播时间的4倍以上，严重限制了测量频率的提高.为了便于理解，我们以测量一米的距离为例分析测量过程：首先单片机向模块发送10 us的高电平，然后模块发射8个40 kHz超声波脉冲约耗时0.2 ms，超声波传播至目标需时t=1 m/（340 m/s）=2.94 ms，反射至接收器件又需2.94 ms，最后模块向单片机输出一个宽度为5.88 ms的高电平脉冲，单片机测得此脉冲宽度后再折算得到测量结果.整个过程约需12 ms，再加上两次测量之间的间隔时间、其他运行步骤消耗时间、尤其是单片机与PC计算机数据通讯时间（实测建议不少于5 ms），整个测量周期很难控制在20 ms之内.换个说法，50Hz的测量频率使得测量距离被限制在一米以内，严重影响了实验的可操作性.尽管HC-SR04模块的标称量程达到4米，但这么长的距离会导致测量周期在50 ms以上，不能达到实验的要求.
（2） US-016模块的输出方式是模拟电平，即把距离转换为输出端口的电压值再由数据采集模块测量取值发送PC，它的转换过程中必然经过积分环节，最终实际效果虽然没有明确的测量周期限制但难以测量距离突变，从数据采集的曲线来看就是测量曲线被修饰圆滑了，出现了较大的高频失真.
（3） US-100模块可采用UART输出模式（串口模式），工作过程简述如下：首先单片机向模块Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600耗时<1ms），模块发出8个40KHZ的超声波脉冲（耗时约0.2ms），然后检测回波信号，仍以一米为例，5.88ms后检测到回波信号，然后模块根据此时间计算距离（同时还检测温度对声速进行修正），最后将结果通过Echo/RX管脚以串口数据直接输出给单片机.输出的距离值共两个字节，第一个字节是距离的高8位（HDate），第二个字节为距离的低8位（LData），单位为毫米（即距离值为（HData*256 LData）mm）.它与HC-SR04模块主要区别是：测量值是以两个字节的数据通过9600波特率串口输出，不管距离是多少，输出所耗的时间都是2*8/9600约1.6ms，而不像HC-SR04那样输出结果所需的时间会随着距离的增大而增大.
US-100模块的测量时序如图2，采用该模块进行超声波测距时，如果设定测量周期为20 ms，考虑到测量间隔和其他时间，我们认为实际测量过程时间可以达到12 ms，则最大测量距离可达340×12/2=2040mm，约为2米，比HC-SR04模块更符合重力加速度测量实验的需求.
此外，US-100模块内带自动温度测量并对结果进行校正，也能有效提高实验对环境温度的适应性.从下表可以看出，温度对超声波速度的影响还是很大的，当温度从0变化到20摄氏度时，超声波速度变化量达到3.6%，已经不能忽视.
所以，在反复测试对比后，最终决定采用US-100模块作为距离测量的传感器.
2利用arduino平台实现超声波测距和数据采集
Arduino是目前风靡全球的开源电子创新平台，它本质上是一个经过易用性封装的AVR单片机系统，具有13个数字输入/输出端口和5个模拟输入/输出端口，可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集.结合专用的编程开发环境，能够快速简便地实现对传感器进行控制、数据采集并与PC计算机软件结合，实现数字实验室的功能.
（1）系统硬件构成：我们采用Arduino Uno主控板控制US-100超声波测距模块，并通过USB连接线连接计算机，同时通过USB的5 V电源给主控板和模块供电，架构清晰制作容易.为了方便使用，我们又把主控板和模块都安装在一个铝合金盒子里，使用时只需要把盒子放在测试处，然后通过USB连接线连接计算机即可.图3即系统框架示意图；图4和图5分别为各模块实物图和安装后的成品图.
1超声波测距原理及方案对比
超声波测距有两种常见方案，一种是人教版高中物理必修Ⅰ教材第23页所示的方案，把超声波发射器件和接收器件分别置放在所测距离的起点和终点，在红外线遥控器件辅助下计算超声波从起点至终点的时间Δt，再根据s=v·Δt求得距离.另一种方案可称为“反射式”，是把超声波发射器件和接收器件并列安装在起点处，然后测得超声波从发射到经过终点反射回来被接受到的时间差Δt，再根据s=v·（Δt/2）求得距离.方案一的测量精度较高，但实现较繁琐、使用也不便，方案二的测试时间是方案一的两倍、理论上误差也翻倍，但使用较为方便、所需模块也更易于购置，因此我们采用了方案二“反射式”测距方式.
常见的“反射式”超声波测距模块有SR系列、US系列等，表1是我们试用过的几种模块的电性能参数，看上去都属于民用产品、差别并不大，因此网上的超声波测距应用都采用了常见且廉价的HC-SR04模块.但事实上HC-SR04模块和US-016模块并不能满足中学物理实验的必备要求，很多人都忽略了测量频率的问题，下面试分析之.
如前所述，在高中物理必修Ⅰ第二章第5节《自由落体运动》教学中，研究自由落体加速度（重力加速度）是一个非常重要的课堂演示实验，传统上采用打点计时器在纸带上打点记录距离，测量的频率是50 Hz，如果要用超声波测距代替打点计时器，那么测量频率同样必须达到50 Hz，也就是说测量周期不能大于20 ms.而几种模块不同的输出方式导致了他们实际输出效果的区别：
（1） HC-SR系列模块的测量时序如图1，它的测量结果是以脉冲时长的方式输出的，导致测量周期是超声波从起点到终点传播时间的4倍以上，严重限制了测量频率的提高.为了便于理解，我们以测量一米的距离为例分析测量过程：首先单片机向模块发送10 us的高电平，然后模块发射8个40 kHz超声波脉冲约耗时0.2 ms，超声波传播至目标需时t=1 m/（340 m/s）=2.94 ms，反射至接收器件又需2.94 ms，最后模块向单片机输出一个宽度为5.88 ms的高电平脉冲，单片机测得此脉冲宽度后再折算得到测量结果.整个过程约需12 ms，再加上两次测量之间的间隔时间、其他运行步骤消耗时间、尤其是单片机与PC计算机数据通讯时间（实测建议不少于5 ms），整个测量周期很难控制在20 ms之内.换个说法，50Hz的测量频率使得测量距离被限制在一米以内，严重影响了实验的可操作性.尽管HC-SR04模块的标称量程达到4米，但这么长的距离会导致测量周期在50 ms以上，不能达到实验的要求.
（2） US-016模块的输出方式是模拟电平，即把距离转换为输出端口的电压值再由数据采集模块测量取值发送PC，它的转换过程中必然经过积分环节，最终实际效果虽然没有明确的测量周期限制但难以测量距离突变，从数据采集的曲线来看就是测量曲线被修饰圆滑了，出现了较大的高频失真.
（3） US-100模块可采用UART输出模式（串口模式），工作过程简述如下：首先单片机向模块Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600耗时<1ms），模块发出8个40KHZ的超声波脉冲（耗时约0.2ms），然后检测回波信号，仍以一米为例，5.88ms后检测到回波信号，然后模块根据此时间计算距离（同时还检测温度对声速进行修正），最后将结果通过Echo/RX管脚以串口数据直接输出给单片机.输出的距离值共两个字节，第一个字节是距离的高8位（HDate），第二个字节为距离的低8位（LData），单位为毫米（即距离值为（HData*256 LData）mm）.它与HC-SR04模块主要区别是：测量值是以两个字节的数据通过9600波特率串口输出，不管距离是多少，输出所耗的时间都是2*8/9600约1.6ms，而不像HC-SR04那样输出结果所需的时间会随着距离的增大而增大.
US-100模块的测量时序如图2，采用该模块进行超声波测距时，如果设定测量周期为20 ms，考虑到测量间隔和其他时间，我们认为实际测量过程时间可以达到12 ms，则最大测量距离可达340×12/2=2040mm，约为2米，比HC-SR04模块更符合重力加速度测量实验的需求.
此外，US-100模块内带自动温度测量并对结果进行校正，也能有效提高实验对环境温度的适应性.从下表可以看出，温度对超声波速度的影响还是很大的，当温度从0变化到20摄氏度时，超声波速度变化量达到3.6%，已经不能忽视.
所以，在反复测试对比后，最终决定采用US-100模块作为距离测量的传感器.
2利用arduino平台实现超声波测距和数据采集
Arduino是目前风靡全球的开源电子创新平台，它本质上是一个经过易用性封装的AVR单片机系统，具有13个数字输入/输出端口和5个模拟输入/输出端口，可以通过外接传感器实现对各类物理量的测量和数据采集.结合专用的编程开发环境，能够快速简便地实现对传感器进行控制、数据采集并与PC计算机软件结合，实现数字实验室的功能.
（1）系统硬件构成：我们采用Arduino Uno主控板控制US-100超声波测距模块，并通过USB连接线连接计算机，同时通过USB的5 V电源给主控板和模块供电，架构清晰制作容易.为了方便使用，我们又把主控板和模块都安装在一个铝合金盒子里，使用时只需要把盒子放在测试处，然后通过USB连接线连接计算机即可.图3即系统框架示意图；图4和图5分别为各模块实物图和安装后的成品图.