HC-SR04超聲波測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn)

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測(cè)功能，測(cè)距精度可達(dá)3mm；

模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

在智能小車的測(cè)距、避障，盲人拐杖，視力保護(hù)器（坐姿矯正），倒車?yán)走_(dá)等應(yīng)用中時(shí)常使用。

工作原理

HC-SR04基本工作原理：

1. 使用單片機(jī)的一個(gè)引腳發(fā)送一個(gè)至少10us高電平的TTL脈沖信號(hào)到模塊的Trig引腳，用于觸發(fā)模塊工作。

2. 模塊檢測(cè)到觸發(fā)信號(hào)之后，會(huì)自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，然后自動(dòng)切換至監(jiān)測(cè)模式，監(jiān)測(cè)是否有信號(hào)返回（超聲波信號(hào)遇障礙物會(huì)返回）。

3. 如果有信號(hào)返回，通過(guò)模塊的Echo引腳會(huì)輸出一個(gè)高電平， 高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間。

4. 因?yàn)槁曇粼诳諝庵械乃俣葹?40米/秒，即可計(jì)算出所測(cè)的距離。

代碼實(shí)現(xiàn)

通過(guò)上面的分析，我們知道，獲得超聲波模塊測(cè)得的距離的難點(diǎn)就是求得Echo引腳輸出脈沖的高電平持續(xù)時(shí)間。

實(shí)現(xiàn)步驟：

1. 初始化Trig引腳PA2為輸出模式，Echo引腳PA3為浮空輸入模式；
   初始化TIM4為1ms的定時(shí)器，msHcCount變量用于記錄定時(shí)器中斷次數(shù)。

//文件"sr04.h"中添加定義extern u32 msHcCount;
//超聲波硬件接口定義#define HCSR04_PORT GPIOA#define HCSR04_CLK RCC_APB2Periph_GPIOA#define HCSR04_TRIG GPIO_Pin_2#define HCSR04_ECHO GPIO_Pin_3
#define TRIG_Send PAout(2)#define ECHO_Reci GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_3)
//文件"sr04.c"中void Hcsr04Init(){  TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;  GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure); GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);  GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;  GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);   RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);   TIM_DeInit(TIM4); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (1000-1);  TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =(72-1);  TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);   TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);  TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE);  Hcsr04_NVIC(); TIM_Cmd(TIM4,DISABLE); }

2. 測(cè)量距離，下面代碼實(shí)現(xiàn)的是五次測(cè)量取平均值作為最終的結(jié)果。
   單次距離測(cè)量的方法采用了兩種實(shí)現(xiàn)方式：定時(shí)器方式和延時(shí)函數(shù)的方式。
   
   

• 定時(shí)器方式，通過(guò)定時(shí)器4計(jì)數(shù)器值計(jì)算距離

當(dāng)ECHO_Reci引腳的輸入電平由低變高時(shí)：即while(ECHO_Reci == 0); 循環(huán)為假時(shí)開始計(jì)時(shí)：OpenTimerForHc();

當(dāng)ECHO_Reci引腳的輸入電平由高變低時(shí)，即while(ECHO_Reci == 1); 循環(huán)為假時(shí)結(jié)束計(jì)時(shí)：CloseTimerForHc();

計(jì)時(shí)結(jié)束，調(diào)用GetEchoTimer(void)函數(shù)計(jì)算總耗時(shí)，單位us。

u32 GetEchoTimer(void){ u32 t = 0; t = msHcCount*1000; t += TIM_GetCounter(TIM4); TIM4->CNT = 0;  delay_ms(50); return t;}

通過(guò)定時(shí)器4計(jì)數(shù)器值計(jì)算距離的具體實(shí)現(xiàn)代碼如下所示：

float Hcsr04GetLength(void ){ u32 t = 0; int i = 0; float lengthTemp = 0; float sum = 0; while(i<5) { TRIG_Send = 1;  delay_us(20); TRIG_Send = 0; while(ECHO_Reci == 0);  OpenTimerForHc();  i = i + 1; while(ECHO_Reci == 1); CloseTimerForHc();  t = GetEchoTimer();   lengthTemp = ((float)t/58.0);  sum = lengthTemp + sum ;  }  lengthTemp = sum/5.0; return lengthTemp;}

• 延時(shí)函數(shù)方式計(jì)算距離

也是取五次測(cè)量值的平均值作為結(jié)果，在計(jì)算Echo引腳輸出高電平時(shí)間的時(shí)候，只要while(ECHO_Reci)為真，計(jì)時(shí)即+10us，直至高電平結(jié)束，即可獲得高電平持續(xù)的總時(shí)間。

測(cè)試結(jié)果部分可以看出此方法誤差較大，大家可以想想，問題出在哪里？

void HCSR04_Ranging(float *p){ u8 i=0; u32 j=0; float HCSR04_Temp = 0.0;  for(i=0;i<5;i++) { TRIG_Send=1; delay_us(40); TRIG_Send=0; while(!ECHO_Reci); while(ECHO_Reci) { delay_us(10); j++; } HCSR04_Temp+=j*10; //模塊最大可測(cè)距4m  j=0; delay_ms(60);//防止發(fā)射信號(hào)對(duì)回響信號(hào)的影響 }
 *p= HCSR04_Temp/5/58.0; }

注意：文中多次使用類似while循環(huán)：while(ECHO_Reci)，其實(shí)這樣做容易讓單片機(jī)陷入死循環(huán)，各位可以試著想想有沒有好的方式避免。

距離換算

查看手冊(cè)，我們會(huì)看到，手冊(cè)上說(shuō)：

測(cè)量距離（cm） = 高電平持續(xù)的us數(shù) / 58

為什么us值/58即是以cm為單位的距離值呢？

正常的換算公式為：

測(cè)試距離 = (高電平時(shí)間*聲速(340m/s))/2

除以2的原因是，超聲波的信號(hào)是往返的耗時(shí)等于高電平時(shí)間，我們求距離，需要除以2。

上面的測(cè)量距離單位為m，高電平時(shí)間為s， 如果我們把測(cè)量距離的單位換為cm，高電平時(shí)間改為us， 則上面的公式就修改為：

測(cè)量距離cm = （高電平時(shí)間us/1000000） * 340 / 2 * 100

即測(cè)量距離cm = 高電平時(shí)間us * 17 / 1000；

即測(cè)量距離cm = 高電平時(shí)間us / （1000/17）；而1000/17 ≈ 58.82

所以一般為了方便計(jì)算，距離換算就是將求得的高電平時(shí)間除以58，即得距離值，單位cm。

硬件連接

目前HC-SR04這個(gè)模塊有很多版本，最好選用3.3V和5V兼容的版本。

我也拿了一個(gè)5V的老版本做了一下測(cè)試，使用3.3V供電，測(cè)量的數(shù)據(jù)不對(duì)，什么也不改變的情況下，將電源引腳供電改為5V供電，返回的數(shù)據(jù)就正常了。

如果使用5V老版本的HC-SR04模塊，為了使系統(tǒng)能夠穩(wěn)定，最好選用5V耐受的IO引腳，諸如帶有下面FT標(biāo)識(shí)的引腳。

實(shí)際效果圖

下面硬件使用的STM32核心板為我們“2020.06每月一練”的核心板，需要資料的可以后臺(tái)回復(fù)“每月一練”獲取。

測(cè)試結(jié)果

分別將HC-SR04放置于障礙物前30cm、20cm、10cm處各測(cè)量?jī)纱?，具體數(shù)據(jù)如下所示：

通過(guò)上面我們可以看出，定時(shí)器的方式的準(zhǔn)確度明顯高于延時(shí)函數(shù)的實(shí)現(xiàn)方式，自己分析一下，為什么延時(shí)函數(shù)的方式誤差會(huì)差這么多呢？

當(dāng)然這里面的誤差還包括我擺放的原因?qū)е碌恼`差。

資料獲取

微信公眾號(hào)后臺(tái)回復(fù)“SR04”，可以下載超聲波測(cè)距原理及實(shí)現(xiàn)網(wǎng)文對(duì)應(yīng)的工程源碼。

尾語(yǔ)

在找回新號(hào)之后，就面臨著兩個(gè)選擇，是選擇更好的交流體驗(yàn)，選擇帶有留言功能的新號(hào)呢？還是為了辛辛苦苦積攢的讀者，將就使用「程序員小哈」那個(gè)老號(hào)呢？

舍棄意味著從新開始，舍棄意味著讀者的數(shù)量也一并清零，猶豫再三，為了成為一個(gè)有靈魂的公眾號(hào)，還是選擇了有留言功能的新號(hào)。

我相信，大家經(jīng)過(guò)一段時(shí)間與我的相處，大概知道我的為人，我相信在各位朋友的幫助下，我們的讀者數(shù)量很快就會(huì)超越老號(hào)，整體更進(jìn)一步的。

希望各位新老朋友能幫忙宣傳一下，讓我們的公眾號(hào)越來(lái)越好，也讓我有更多的熱情能夠?qū)懗龊玫奈恼路窒斫o大家。

程序員小哈這個(gè)公眾號(hào)也運(yùn)營(yíng)一段時(shí)間了，對(duì)其很有感情，也不想荒廢了。

未來(lái)兩個(gè)公眾號(hào)的定位：

「程序員小哈」：分享嵌入式、物聯(lián)網(wǎng)相關(guān)領(lǐng)域精彩文章，分享圈內(nèi)人員的經(jīng)驗(yàn)心得，我會(huì)認(rèn)真篩選每一次的分享，希望各位能夠從中受益；

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希望你能兩個(gè)都關(guān)注一段時(shí)間，觀察一段時(shí)間，如果你感覺沒有收獲，隨時(shí)取關(guān)，感謝你的支持！

PS：咱們的公眾號(hào)也有留言功能了，大家可以暢所欲言了^_^

新公眾號(hào)「嵌入式從0到1」，長(zhǎng)按關(guān)注一波哈。