超声波测距传感器（见图3-7）是机器人经常采用的传感器之一，用来检测机器人前方或周围有无障碍物，并测量机器人与障碍物之间的距离[77-78]。超声波测距的原理犹如蝙蝠声波测物一样，蝙蝠的嘴里可以发出超声波，超声波向前方传播，当超声波遇到昆虫或障碍物时会发生反射，蝙蝠的耳朵能够接收反射回波，从而判断昆虫或障碍物的位置和距离并予以捕杀或躲避。
超声波测距传感器的工作原理也与蝙蝠相似，是通过超声波发射器向某一方向发射超声波，并在发射超声波的同时开始计时，超声波在空气中传播时碰到障碍物就立即反射回来，超声波接收器收到反射波后就立即停止计时。已知超声波在空气中的传播速度为v，根据计时器记录的发射声波和接收回波的时间差为Δt，就可以计算出发射点距障碍物的距离S，即有：
上述测距方法即所谓的时间差测距法。
超声波是一种在空气中传播的超过人类听觉频率极限的声波。人的听觉所能感觉的声音频率范围因人而异，在20 Hz～20 kHz之间。由于超声波的声速与环境温度有关，在使用超声波传感器测距时，如果环境温度变化不大，则可认为声速是基本不变的，常温下超声波的传播速度是334 m/s[79]。但其传播速度易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大。如环境温度每升高1℃，声速增加约0.6 m/s。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。已知环境温度T时，超声波传播速度v的计算式为：
式中，T（℃）为环境温度，在23℃的常温下超声波的传播速度为345.3 m/s。超声波传感器一般就是利用这样的声波来检测物体的。
在许多应用场合，采用小角度、小盲区的超声波测距传感器，具有测量准确、无接触、防水、防腐蚀、低成本等优点。有时还可根据需要采用超声波测距传感器阵列来进行测量，可提高测量精度、扩大测量范围。图3-8所示为超声波测距传感器阵列。
2.超声波测距传感器的参数
本书设计的仿蛇机器人选择并采用了US-100超声波测距传感器模块，该模块为常见的超声波测距传感器阵列，可以在任意一家电子商店中以较低的价格获得，其外观结构如图3-9所示。
图3-8 超声波测距传感器阵列
图3-9 US-100超声波测距模块
US-100超声波测距传感器模块拥有2.4～5.5 V的宽电压输入范围，静态功耗低于2 mA，可实现2 cm～4.5 m的非接触测距功能，同时具有GPIO、串口等多种通信方式，自带温度传感器可对测距结果进行校正，内带看门狗，工作稳定可靠，其主要的技术参数如表3-1所示[80]。
表3-1 US-100超声波测距传感器模块参数一览表(www.xing528.com)
US-100超声波测距传感器模块的外形尺寸为45 mm×20 mm×1.6 mm。板上有两个半径为1 mm的机械孔可以用于固定。该模块共有5个PIN端口，从左到右的编号依次为1，2，3，4，5，它们的定义如下：
1号PIN端口：接VCC电源（供电范围2.4～5.5 V）；
2号PIN端口：当为UART模式时，接外部电路UART的TX端；当为电平触发模式时，接外部电路的Trig端；
3号PIN端口：当为UART模式时，接外部电路UART的RX端；当为电平触发模式时，接外部电路的Echo端；
4号PIN端口：接外部电路的地；
5号PIN端口：接外部电路的地。
3.超声波测距传感器的应用
（1）电平触发测距工作原理。
在超声波测距传感器模块上电前，先去掉模式选择跳线上的跳线帽，使模块处于电平触发模式，电平触发测距的时序如图3-10所示[81]。该时序图表明：只需在Trig/TX管脚输入一个10μs以上的高电平，系统便可发出8个40 kHz的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，最后再将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。
在此模式下，模块将距离值转化为340 m/s时的时间值的2倍，通过Echo端输出一高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值，即距离值为：（高电平时间×340 m/s）/2。因为距离值已经经过温度校正，此时无需再根据环境温度对超声波声速进行校正，即不管温度多少，声速选择340 m/s即可。
（2）串口触发测距工作原理。
图3-10 电平触发测距时序图
在超声波测距传感器模块上电前，先插上模式选择跳线上的跳线帽，使模块处于串口触发模式，串口触发测距的时序如图3-11所示[82]。在此模式下只需要在Trig/TX管脚输入0X55（波特率9 600），系统便可发出8个40 kHz的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。输出的距离值共两个字节，一个字节是距离的高8位（HDate），另一个字节是距离的低8位（LData），单位为mm，即距离值为（HData×256+LData）mm。
图3-11 串口触发测距时序图
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