单片机实验（三） Arduino 超声波测距

实验目的

  1. 理解超声波脉冲飞行时间测距的基本原理；
  2. 掌握 Arduino 数字脉冲的产生、计时和串口数据显示方法；
  3. 通过标定实验认识测量范围、误差、分辨率和环境干扰。

预习材料

  1. 了解 HC-SR04 模块的VCC、Trig、Echo和GND引脚功能；
  2. 阅读 Arduino pulseIn() 函数说明；
  3. 复习距离、传播速度与往返时间的关系，取室温空气中声速约343 m/s。

实验器材

Arduino UNO 或兼容开发板1块，HC-SR04超声波测距模块1个，面包板1块，USB线1条，杜邦线若干，直尺或卷尺1把，平整硬质挡板1块，安装 Arduino IDE 的笔记本电脑1台。

实验步骤

  1. 断开 USB，按模块标识连接VCC至5 V、GND至GND，并将Trig和Echo分别连接到两个数字引脚；检查接线后再上电；
  2. 编写程序：向Trig发送约10 μs高电平触发脉冲，使用pulseIn()测量Echo高电平持续时间，并设置合理的超时时间；
  3. 根据“距离=Echo持续时间×声速÷2”计算距离，以厘米为单位每200 ms输出一次到串口监视器；
  4. 将平整挡板依次放在10 cm、20 cm、40 cm、60 cm和100 cm处，每个位置记录10次测量值，计算平均值和最大偏差；
  5. 在程序中加入5次移动平均，比较滤波前后数据波动；
  6. 改变挡板角度或换用吸声较强的软质物体，观察丢失回波或误差增大的现象，并分析原因。

思考题

  1. 距离计算公式中为什么要除以2？
  2. 温度变化会怎样影响测距结果？
  3. 移动平均能够减小随机波动，但会给快速变化的测量带来什么影响？

考核要求

于1周内提交实验报告，内容包括接线照片、完整程序、5个距离点的原始数据与误差表、滤波前后对比、异常回波现象分析及思考题解答。

实验索引