【中学生创客.Arduino】第10课自动变速风扇

 

通过前面的学习，同学们了解了风扇的转速是可以变化的，比如用按钮制作的换挡风扇，那么风扇可以根据我们的需要自动变速吗？听起来很酷吧。在这节课里，我们就来尝试一下制作自动变速风扇。

【任务导航】

1.了解超声波传感器及其测距原理；

2.制作自动变速风扇。

【材料阅读】

1.超声波传感器

我们使用的超声波传感器是HC-SR04超声波传感器，它基于声纳原理，通过监测发射一连串调制后的超声波及其回波的时间差来得知传感器与目标物体间的距离值。其性能比较稳定，测度距离精确，盲区为2cm，如图2.3.1是HC-SR04超声波传感器。

图2.3.1 HC-SR04超声波传感器

HC-SR04超声波传感器的主要参数如下：

n  使用电压：DC5V；

n  静态电流：小于2mA；

n  电平输出：高5V，低0V；

n  感应角度：不大于15°；

n  探测距离：2cm到450cm；

n  精度：0.2cm。

在使用HC-SR04超声波传感器时，应先将其插好在电路板上再通电，避免产生高电平的误动作，如果产生了，重新通电方可解决。针脚定义，如表2.3.1所示。

表2.3.1 HC-SR04超声波传感器针脚定义

2.超声波传感器测距

在这里，我们只学习超声波测距的最简单的一种，也是本课需要用到的，即超声波传感器固定住，此时可以用其测量与障碍物之间的距离。HC-SR04的工作原理：（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号；（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，测试距离=(高电平时间×声速)/2。

在ArduBlock里面可以直接读出超声波传感器测到的距离值，如下图2.3.2所示，Trig连接数字口8，Echo连接数字口9。

图2.3.2 超声波测距并显示

【动手操作】

主题：制作我的自动变速风扇

同学们在了解了相关的知识后，可以自己制作本课的自动变速风扇了，我们用到的器材主要是Romeo板子、HC-SR04超声波传感器、风扇（带直流电机）。

1.自动变速风扇的连接

在连接物理电路时，需要注意：Trig和Echo分别接到数字口（程序中，Trig和Echo分别连接数字口8和9，电机接的是M1接线柱）。

2.检测使风扇转动的电平

由于风扇、电机或者载重的不同，使风扇转动的最小电平也会不同的，请同学们自己检测一下使风扇转动的PWM值最小是多少，并记录下来。

3.自动变速风扇的参考程序

图2.3.3 自动变速风扇

【探究思考】

请同学们思考并讨论一下，在我们日常生活中，哪里有用到超声波测距？哪里可以运用超声波测距呢？超声波测距都有哪些优缺点？

【视野拓展】

1.超声波测距

由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340×t/2 。这就是所谓的时间差测距法。

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。

测距的公式表示为：L=C×T

式中L为测量的距离长度；C为超声波在空气中的传播速度；T为测量距离传播的时间差(T为发射到接收时间数值的一半)。

超声波测距主要应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量，虽然目前的测距量程上能达到百米，但测量的精度往往只能达到厘米数量级。

2.红外线测距

还有一种测距是利用红外线测距的。红外测距原理和雷达测距原理相似，是发射红外线然后测量回波时间，光速乘以时间再除以2就得到距离。

由于光速很快，而红外测距仪一般测量距离比较短，用常规的脉冲法（发射一个脉冲然后计算收到反射脉冲的时间）常常因为时间过短而无法测量，所以一般是将红外线发射功率调制上一个较低的频率，然后测量回波与发射波的相位差，根据相位差可以计算出回波时间。利用红外线发射装置发出红外线，经过障碍物反射以后，被一红外线接收探头收到，将接收到的红外线信号转化为电信号进行计算，公式就是从发射到接受到的时间的一半乘以光速！

红外测距还是有很多应用的，比如：汽车超速抓拍、货车限高检测、飞机高度检测、列车到站检测、接触网检测、船舶对接检测、矿井电梯位置检测、仓储料位监测、桥梁高度检测、吊机高度位置检测、矿井轮廓扫描等等。

【挑战自我】

请同学们思考一下，假如超声波传感器可以前后移动，那么测距的时候需要做哪些考虑呢？写下你的想法，与其他同学讨论一下。