基于ESP32与phyphox的DIS实验制作（4）-使用超声波位移传感器研究弹簧振子的运动

通过上一篇你应该已经了解了基于ESP32与phyphox的DIS实验大概是个什么模样了，只是上一篇里仅仅使用了ESP32自带的模数转换（也就是电压传感器），程序也是用了它自带的示例，感觉还缺点意思。那么这一篇，我们将会让ESP32连接外接的传感器，通过编写程序驱动传感器测量数据并发送到手机上的phyphox。
好了，还是和之前一样，先来段视频：
（观看视频请关注微信公众号：宁中物理创新实验室）
想不想也来一个视频中的位移传感器呢，跟着下面的教程，一起动手来制作吧！

1、超声波测距模块

（下图来自某宝截屏）

要注意一点，大家购买的时候一定要买标注了宽电压的，因为常见的模块都是5V电压的，但是ESP32其实是一个工作在3.3V电压下的单片机，不要觉得我们用USB给它供电的时候用的是5V，那是因为里面有个降压模块将5V降低到了3.3V。所以切记，一定要买能支持3.3V的超声波测距模块（其实貌似更便宜，我买的才2.7元一个，自己某宝去搜了，免得我给别人打广告）
首先呢，我们来学习一下这个超声波测距模块的原理。
“超声波：人类耳朵能听到的声波频率为280HZ～20KHz。当声波的振动频率大于20KHz或小于20Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。因其方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。
最常用的超声测距的方法是回声探测法，如下图，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。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面的距离s，即：s=340t/2。*

超声波传感器HC-SR04上有4个针脚，分别是“VCC”、“Trig”、“Echo”和“GND”，“VCC”和“GND”不再解释，在“Trig”端施加一个10微秒高电压信号会触发超声波发射口发射8个超声波脉冲，当超声波接受口接收到超声波时“Echo”端会输出一段高电压，高电压持续的时间就是超声波从发射到接收的时间。”
以上内容来自我自己曾经写过的一本书（顺便做做书的广告了，有想买的同学自己去某宝或者某当，我手里的也是自己买来的，不过里面用的是Arduino，程序也是用图形化的，适合小学生或者刚入门者）：

大概了解了这个模块的原理后，就可以想办法让ESP32来驱动它了，其实也很简单，就是让ESP32给模块的“Trig”端加一个10微秒的高电压信号，然后再读取一下模块"Echo”端口上高电压持续的时间就可以了。

2、ESP32驱动超声波测距模块

在做正式版之前我们先编一个小程序玩玩，让ESP32驱动超声波测距模块，然后将测得的时间转换成距离发送给电脑，最后在电脑上来显示这个距离值。下面便是程序：


int trig_pin=12,echo_pin=13;//将超声波模块的trig接P12端口，echo接P13
float dis;//定义一个用来记录距离的变量
float checkdistance() { //这里为带有返回值的自定义函数，用来完成超声波模块的测量digitalWrite(trig_pin, LOW);//将trig端拉低delayMicroseconds(2);//等待2微秒digitalWrite(trig_pin, HIGH);//将trig端拉高delayMicroseconds(10);//等待10微秒digitalWrite(trig_pin, LOW);//将trig端拉低float distance = pulseIn(echo_pin, HIGH) / 58.00;//测量echo高电平持续时间，并将它转化为距离值，单位厘米return distance;//返回距离值
}//自定义函数结束void setup() {//初始化函数pinMode(trig_pin,OUTPUT);//将trig端定义为输出端pinMode(echo_pin,INPUT);//将echo端定义为输入端Serial.begin(115200);//开启串口
}void loop() {//主函数dis=checkdistance();//调用自定义函数测距，并将距离值赋值给dis变量Serial.println(dis);//通过串口输出dis变量值delay(100);//等待100毫秒
}

具体的接线为：

超声波模块 ESP32
Vcc -------- 3V3
Gnd -------- GND
Trig -------- P12
Echo -------- P13
下图是我用一个面包板来帮助接线（不知道面包板是什么，请自行百度，或者买我的书来看），由于这块ESP32端口号都印在了背面，插到面包板后就看不到了，所以请先拍照保存，接线时请断开电源并仔细认真，不要接错了以免烧板！

接好线烧完程序后，点击Arduino IDE右上角的串口监视器，就像放大镜的那个图标。

点击后就可以打开串口监视器，注意将右下角的波特率设置为115200，之后就可以看到从ESP32发过来的距离数据了。

3、基于ESP32和phyphox的位移传感器

接下去进入今天的最后一段，开始来完成视频中的位移传感器制作。
其实接线已经不需要改变了，只要改一下程序就可以了，以下是程序，注意阅读程序里的注释部分来理解程序，开始学的时候可以抄别人的程序，读懂程序，并尝试做一些小的修改，例如改一下采样频率，在phyphox上显示的文字啦之类的。


//本程序由宁中物理创新实验室所有，如需使用请注明出自宁中物理创新实验室！
#include <phyphoxBle.h>     //加载phyphoxBle库函数
int trig_pin=12,echo_pin=13;//将超声波模块的trig接P12端口，echo接P13
float dis;//定义一个用来记录距离的变量
float checkdistance() { //这里为带有返回值的自定义函数，用来完成超声波模块的测量digitalWrite(trig_pin, LOW);//将trig端拉低delayMicroseconds(2);//等待2微秒digitalWrite(trig_pin, HIGH);//将trig端拉高delayMicroseconds(10);//等待10微秒digitalWrite(trig_pin, LOW);//将trig端拉低float distance = pulseIn(echo_pin, HIGH) / 58.00;//测量echo高电平持续时间，并将它转化为距离值，单位厘米return distance;//返回距离值
}//自定义函数结束void setup() {  //初始化函数从“{”开始到“}”结束// setup是初始化函数，也就是esp32刚通电时会运行一遍pinMode(trig_pin,OUTPUT);//将trig端定义为输出端pinMode(echo_pin,INPUT);//将echo端定义为输入端Serial.begin(115200);  //开启esp32的串口，用来发数据给电脑，这里可以不用PhyphoxBLE::start("位移传感器");//开启蓝牙，引号内的文字会出现在phyphox搜索蓝牙设备时PhyphoxBleExperiment Voltmeter;//开启一个实验，取名为VoltmeterVoltmeter.setTitle("超声波位移传感器实验");//会显示在phyphox主页面上的实验名称Voltmeter.setCategory("宁中物理创新实验室");//会显示在phyphox的实验类别Voltmeter.setDescription("用来测位移的！");//会显示在phyphox的实验介绍里PhyphoxBleExperiment::View firstView;//在实验界面里添加一个显示界面firstView.setLabel("位移"); //界面上显示的标签PhyphoxBleExperiment::Graph firstGraph; //在phyphox里添加一个图像firstGraph.setLabel("位移-时间图像");//图像的名称firstGraph.setUnitX("s");//x轴坐标单位firstGraph.setUnitY("cm");//y轴坐标单位firstGraph.setLabelX("时间");//x轴物理量名称firstGraph.setLabelY("位移");//y轴物理量名称firstGraph.setChannel(0, 1);//开启一个蓝牙数据通道firstView.addElement(firstGraph);            //将图像添加到显示界面上Voltmeter.addView(firstView);                //将显示界面添加到实验PhyphoxBLE::addExperiment(Voltmeter);        //将实验设置通过蓝牙发送到phyphox
}//初始化函数结束，在初始化函数里其实设置了一些phyphox中要显示的元素
//以下为主程序，esp32在运行时主程序内的程序是循环运行的
//也就是第一遍结束第二遍又开始,周而复始，直到断电void loop() {//主程序开始dis=checkdistance();//调用自定义函数测距，并将距离值赋值给dis变量delay(1);  //运行暂停1毫秒，让蓝牙模块准备好PhyphoxBLE::write(dis);//将voltage通过蓝牙发送到手机端的phyphoxdelay(18);//暂停18毫秒，这里经测试最小可以填4，再小esp32就会卡死，也就是差不多50Hz
}//主程序结束

将程序上传到ESP32后，打开手机上的phyphox，用上一篇中的方法添加实验：

然后打开超声波位移传感器实验，连接名为“位移传感器”的蓝牙设备，测试一下吧：

如果你想用它来研究弹簧振子的运动，请参照第二篇中的内容，将数据共享到电脑端，然后用excel进行数据拟合处理。
由于超声波测距仪的原理所致，因为声速会受到温度、风速、湿度、气压等等各种因素的影响，所以为了更精确的测量距离还需要测量这些值，并都声速进行修正，当然除了这些因素外，ESP32本身的计时精度也会影响距离的测量，所以超声波测距模块其实精度并不高，一般情况下只能精确到1cm左右，所以用它来做物理的位移传感器其实并不是很好，当然也有贵点的超声波测距模块可以选用，可以适当的增加精度。在之后的篇章中，我会为大家带来更精确的位移测量模块，敬请期待吧！
这篇到这里就结束了，回顾一下这篇的内容：
（1）认识了超声波测距模块。
（2）使用ESP32读取超声波测距模块的小实验。
（3）基于ESP32和phyphox的超声波位移传感器制作。