Мини-акустическая левитация на Arduino UNO и HC-SR04 (ультразвук)

Компоненты и материалы

• Arduino UNO — 1 шт.
• Ультразвуковой датчик HC-SR04 — 1 шт. (будет разобран на излучатели)
• H-мост (L298N или драйвер двигателей) — 1 шт. (для питания излучателей в противофазе)
• Блок питания 7.5–9V DC (LiPo 2S / 9V «Крона» / BP) — для H-моста
• Маятная плата, перемычки, диод 1N4007, конденсаторы 100 нФ (опц.)

ПО

• Arduino IDE

Принцип работы

Акустическая левитация возможна за счет стоячей волны: два ультразвуковых излучателя, работающих в противофазе, создают зоны высокого и низкого давления. В узлах стоячей волны (зонах низкого давления) легкие объекты (пенопласт, капельки) удерживаются в воздухе.

Датчик HC-SR04 содержит пару пьезо-излучателей (40 кГц). Мы извлекаем их и питaем от H-моста в противофазе, генерируя квадратную волну 40 кГц (80 кГц переключение пинов).

Шаг 1: Извлечение излучателей из HC-SR04

1. Распаяйте оба излучателя (передатчик T и приемник R — они идентичны).
2. С одного снимите металлическую сетку (она понадобится как подставка для объекта).
3. Припаяйте провода к выводам обоих излучателей.

Шаг 2: Схема подключения

• H-мост: входы IN1, IN2 → Arduino A0–A5 (все 6 аналоговых пинов настроены как выходы, см. код).
• Выходы H-моста OUT1/OUT2 → два излучателя (аноды), катоды — на землю.
• Питание H-моста: 7.5–9V (Vmot), 5V логика от Arduino.
• Диод 1N4007 параллельно питанию мотора (защита от самOINдукции).
• Два конденсатора 100 нФ к питанию H-моста (если плата перезагружается от помех).

Шаг 3: Код (Timer1 CTC, 40 кГц)

// Based on: https://makezine.com/projects/micro-ultrasonic-levitator/
byte TP = 0b10101010; // чередование битов для противофазы на 6 пинах порта C (A0-A5)

void setup() {
  DDRC = 0b11111111; // Все пины порта C (A0-A5) на выход

  noInterrupts();
  TCCR1A = 0;
  TCCR1B = 0;
  TCNT1  = 0;
  OCR1A = 200;            // 16 MHz / 200 = 80 kHz переключение -> 40 kHz полная волна
  TCCR1B |= (1 << WGM12); // CTC mode
  TCCR1B |= (1 << CS10);  // Prescaler = 1
  TIMSK1 |= (1 << OCIE1A); // Enable compare match interrupt
  interrupts();
}

ISR(TIMER1_COMPA_vect) {
  PORTC = TP;  // Вывод паттерна на A0-A5
  TP = ~TP;    // Инверсия для следующего полупериода
}

void loop() {
  // Ничего не нужно в loop — всё в прерывании таймера
}

Шаг 4: Монтаж и калибровка

1. Закрепите излучатели напротив друг друга на расстоянии ~19 мм (3/4″). Удобно использовать «третьи руки» (helping hands).
2. Положите кусочек пенопласта (размер с половину горошины) на снятую сетку от излучателя.
3. Пинцетом поместите пенопласт между излучателями. Он должен начать дрожать/левитировать.
4. Точно подвижте излучатели (ближе/дальше) до устойчивой левитации — объект замерзает в узде стоячей волны.

Устранение неполадок

• Проверьте проводку (H-мост, питание, общая земля с Arduino).
• Повысьте напряжение на H-мосте (свежий LiPo 2S = 7.4V или 9V).
• Используйте МЕНЬШИЙ кусочек пенопласта.
• Попробуйте другие позиции излучателей (расстояние 15–22 мм).
• Добавьте конденсаторы 100 нФ на питание H-моста.
• Если не работает — проверьте излучатели на работоспособность (поменяйте местами, попробуйте другую пару).

Ссылки

• Оригинал идеи: Make: Micro Ultrasonic Levitator
• Симуляция схемы и подробности на сайте автора.