HC-SR04超聲波測距原理及實現(xiàn)

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

模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。

在智能小車的測距、避障，盲人拐杖，視力保護器（坐姿矯正），倒車雷達等應用中時常使用。

工作原理

HC-SR04基本工作原理：

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

2. 模塊檢測到觸發(fā)信號之后，會自動發(fā)送8個40khz的方波，然后自動切換至監(jiān)測模式，監(jiān)測是否有信號返回（超聲波信號遇障礙物會返回）。

3. 如果有信號返回，通過模塊的Echo引腳會輸出一個高電平， 高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的時間。

4. 因為聲音在空氣中的速度為340米/秒，即可計算出所測的距離。

代碼實現(xiàn)

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

實現(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的定時器，msHcCount變量用于記錄定時器中斷次數(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. 測量距離，下面代碼實現(xiàn)的是五次測量取平均值作為最終的結果。
   單次距離測量的方法采用了兩種實現(xiàn)方式：定時器方式和延時函數(shù)的方式。
   
   

• 定時器方式，通過定時器4計數(shù)器值計算距離

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

當ECHO_Reci引腳的輸入電平由高變低時，即while(ECHO_Reci == 1); 循環(huán)為假時結束計時：CloseTimerForHc();

計時結束，調用GetEchoTimer(void)函數(shù)計算總耗時，單位us。

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

通過定時器4計數(shù)器值計算距離的具體實現(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;}

• 延時函數(shù)方式計算距離

也是取五次測量值的平均值作為結果，在計算Echo引腳輸出高電平時間的時候，只要while(ECHO_Reci)為真，計時即+10us，直至高電平結束，即可獲得高電平持續(xù)的總時間。

測試結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; //模塊最大可測距4m  j=0; delay_ms(60);//防止發(fā)射信號對回響信號的影響 }
 *p= HCSR04_Temp/5/58.0; }

注意：文中多次使用類似while循環(huán)：while(ECHO_Reci)，其實這樣做容易讓單片機陷入死循環(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，我們會看到，手冊上說：

測量距離（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：

測試距離 = (高電平時間*聲速(340m/s))/2

除以2的原因是，超聲波的信號是往返的耗時等于高電平時間，我們求距離，需要除以2。

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

測量距離cm = （高電平時間us/1000000） * 340 / 2 * 100

即測量距離cm = 高電平時間us * 17 / 1000；

即測量距離cm = 高電平時間us / （1000/17）；而1000/17 ≈ 58.82

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

硬件連接

目前HC-SR04這個模塊有很多版本，最好選用3.3V和5V兼容的版本。

我也拿了一個5V的老版本做了一下測試，使用3.3V供電，測量的數(shù)據(jù)不對，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標識的引腳。

實際效果圖

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回復“每月一練”獲取。

測試結果

分別將HC-SR04放置于障礙物前30cm、20cm、10cm處各測量兩次，具體數(shù)據(jù)如下所示：

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

當然這里面的誤差還包括我擺放的原因導致的誤差。

資料獲取

微信公眾號后臺回復“SR04”，可以下載超聲波測距原理及實現(xiàn)網文對應的工程源碼。

尾語

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