Arduino UNO + HC-SR04 超声波换能器迷你声悬浮演示

核心物料

组件	数量
Arduino UNO R3	1
HC-SR04 超声波测距模块（拆解取发射/接收头）	1
L298N / H 桥驱动模块	1
7.5~9V 电池组（LiPo 或 9V 方块电池）	1
面包板、跳线、1N4007 二极管、100 nF 电容（可选）	若干

原理速记

声悬浮利用驻波：两个相向发射的 40 kHz 超声波在中间形成稳定的声压节点（低压区）与反节点（高压区）。轻质发泡聚苯乙烯微球（约豌豆大小 1/10）置于声压节点，受辐射压力托举，悬浮于半空。本项目将 HC-SR04 发射头（T）与接收头（R）拆解，分别作为上下换能器，经 H 桥反相驱动形成对向驻波。

制作步骤

拆解 HC-SR04：烙铁拆下金属罩网，取出发射头（标 T）与接收头（标 R），保留一个金属网罩作下换能器保护罩。引脚焊接导线并加热缩管绝缘。
搭建 H 桥驱动电路：按原理图连接 L298N，两路输出分别接上下换能器，输入端并联接 Arduino 模拟口 A0~A5（全部配置为数字输出）。可选 100 nF 电容跨接电源轨抑制纹波。
编写 40 kHz 方波驱动代码：利用 Timer1 CTC 模式产生 80 kHz 方波（全周期 40 kHz），中断中翻转 PORTC 低 6 位，实现相邻引脚反相输出。

核心驱动代码

// 40 kHz 驻波驱动，基于 Make: 项目改写
byte TP = 0b10101010; // 相邻位反相
void setup() {
  DDRC = 0x3F; // A0~A5 设为输出
  noInterrupts();
  TCCR1A = 0; TCCR1B = 0; TCNT1 = 0;
  OCR1A = 200;           // 16 MHz / 200 = 80 kHz 翻转 → 40 kHz 全波
  TCCR1B |= (1 << WGM12); // CTC
  TCCR1B |= (1 << CS10);  // 无预分频
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // 比较匹配中断
  interrupts();
}
ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  PORTC = TP; // 输出当前模式
  TP = ~TP;   // 翻转供下次
}
void loop() {} // 后台自动运行

调试与悬浮调节

上下换能器初始间距约 19 mm（3/4″），中间放半颗豌豆大小的泡沫球（用镊子置于下换能器金属网上）。
上电观察泡沫球：若剧烈抖动上下窜动，微调间距（±1 mm）直到球体稳定悬浮、仅轻微振动。
若完全无法悬浮：检查换能器极性（T/R 不能接反）、H 桥供电电压（尝试 9V→12V）、加装 100 nF 滤波电容、更换换能器对。

常见问题排查表

现象	可能原因	对策
换能器发热严重	驱动电压过高/占空比异常	降低供电电压、检查 Timer1 配置
泡沫球瞬间被弹飞	间距过小/驻波节点偏移	增大间距、微调换能器角度
串口监视器乱码/复位	H 桥大电流干扰 MCU	共地单点接地、加大电源电容、MCU 单独供电

扩展玩法

双轴声悬浮（XY 相控阵）实现微粒平面定位移动。
配合光栅/高速相机拍摄驻波节点形态。
更换 28 kHz/58 kHz 换能器实验不同波长悬浮能力。

原理图

Arduino Nano 多传感器气象站：BMP280 + DHT11 + GUVA-S12SD + DS3231 + OLED 基于陀螺仪传感器与 Arduino Nano 的精准钻床钻深显示器

制造工艺

3D打印

自动化控制系统

工业技术