一、超声波测距基本原理
超声波测距的原理非常简单，超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到被测物体后会反射回来，被超声波接收器接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可以计算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离的计算公：:d=s/2=(c*t)/2
; V# F/ ^2 |# G3 Q! z, s
0 y3 d, \9 s. \# _* j6 g其中 d 为被测物与测距器的距离，s 为声波的来回路程，c 为声波，t 为声波来回所用的时间。
8 ~& z; ~) K5 X0 ^; l1 U
由于超声波也是一种声波，其声速 c 与温度有关，在不同温度下的超声波声速不同。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速校正后，只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。不同外温度下的超声波声速表如下
& U8 W/ B7 E. [/ e9 ^1 C; R

9 o' j* x9 }2 A+ `: a

不同温度下超声波声速表

  l# P9 R6 `- O1 u
补充说明
/ ~0 M* }2 L6 C最近在问答区发现有小伙伴疑惑为什么在计算距离时是根据Echo输出的高电平持续时间来计算距离。这里简单解释一下，仅供参考
0 n) J: X; r) e" s9 Q1. 实际超声波测距的原理就是上面介绍的，记录的时间是从超声波发出到回波被接收的时间，然后这个时间除以2，再乘超声波的传播速度得到距离。超声波测距模块实际也是这么做的。模块内部会记录超声波发出的时刻，在接收到回波后会立刻以高电平的形式从Echo引脚输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发出到被接收到的时间间隔。这么做是模块为了方便单片机处理，快速得到超声波从发出到被接收到的时间间隔。

/ E0 ]- W7 V- }6 [+ i1 c+ K2. 实际大家可以自己测试一下，初始化一个定时器，从给Trig引脚10us高电平结束时刻开启定时器，到Echo引脚接收到高电平的时刻停止计时，用这个时间来计算距离，实际和用高电平持续时间来计算距离得到的结果基本是相同的。
! j% J. W5 y$ o" G1 `& o; x1 l# q
3. 给Trig引脚10us高电平并不是说只发送10us的超声波。10us的高电平是为了触发模块工作。10us高电平结束后，模块会发送一个8个40KHz的方波。

+ a4 w3 ~) g) L
二、超声波传感器简介
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等:机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生。
+ ~* Y( K. r% y' ]# o
6 w5 Y% l1 K2 C) z压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。这里介绍的是一个超声波测距模块——HC-SR04。
- D# N+ Y6 H( M6 ?6 a' h  m
  e# U' V8 }. S# s# r

HC-SR04

; T! V+ t6 n6 F  d1 O# R  }, H: o
# b5 o$ |1 B3 W三、HC-SR04测距实现思路
这里就不再针对HC-SR04模块的原理和电路做详细介绍了，直接介绍利用该模块实现测距的思路。该模块有四个引脚。
• VCC —— 通常是5V供电
• GND —— 地
• Trig —— 给该引脚大于10us的高电平，超声波发射头会发送一个超声波信号
• Echo —— 该引脚在接收到返回的超声波信号后会变为高电平

- N5 X( @5 `* b+ \# O0 e) n( [7 UEcho接收到的高电平持续时间即为超声波一个来回所用的时间，利用该时间除以2再乘上光速，即可得到测量距离。
6 n' s: O4 l  f. N, p2 T

四、超声波测距程序实现
/ w& B4 ]) m/ e. m4 f; B6 R- C4.1 HC-SR04初始化程序
+ V" L6 J! E1 ]1 @. S- zHC-SR04初始化程序主要包括两部分，一部分是初始化HC-SR04的GPIO，Trig引脚设置为推挽式输出，Echo引脚设置为浮空输入。另一部分是初始化TIM2。初始化TIM2之后，没有立即使能，而是等到Echo接收到高电平的时刻，开启TIM2。

1. /*
   " N+ f9 K* `& N( c: e( K0 ?
2. *==============================================================================
   - R* F7 _& l/ Q: L
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_Init
   & I) }& V; K; l0 R9 Q* _. y+ r
4. *函数功能：初始化HC-SR04
   1 x; w7 T" u( x# {* [: O
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   
7. *备  注：初始化HC-SR04引脚的同时，初始化了TIM2，用来记录高电平持续时间
   
8.           初始化完TIM2后，没有使能，当Echo收到高电平后使能
   , k' m' [* G1 I' K5 `, s6 u
9. *==============================================================================
   
10. */
    6 M  e  l/ ^" A4 j. f. n
11. void Drv_Hcsr04_Init (void)   // Hc-sr04初始化
    
12. {   
    
13.     // 结构体定义
      s7 q9 m) u  n* T8 O  g9 t
14.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;   // 生成用于定时器设置的结构体  
    
15.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // GPIO结构体
    ! I9 ^% R2 l# n( S% S
16.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC结构体
    
17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);   // 使能GPIO时钟
    
18. 
    & h$ `- X- w% z$ |
19.     // GPIO初始化  
    : U* r  {. Y# a9 K8 b  C& J
20.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;   // 发送电平引脚  
    
21.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
    
22.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   // 推挽式输出  
    
23.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
    
24.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);  
    
25.          
    
26.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;   // 返回电平引脚  
    / ~3 u1 r9 h2 n  ^# l
27.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入  
    # p  y) E* R% @5 ?/ z5 M6 [
28.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);   
    
29.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);      
    
30.          
    - l) l3 @. t+ @) q+ Y
31.     // 定时器初始化 使用基本定时器TIM2  
    
32.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);   // 使能对应RCC时钟  
    % p! D$ ~5 V* Y8 z9 E' L( [
33.     // 配置定时器基础结构体  
    
34.     TIM_DeInit(TIM2);  
    
35.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (1000-1);   // 设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值(计数到1000为1ms )
    
36.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =(72-1);   // 设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  1M的计数频率 1US计数  
    7 U: E. W1 V, R. a* o* J, T) o
37.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;   // 不分频  
    
38.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   // TIM向上计数模式  
    
39.     TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);   // 根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位         
    
40.                
    
41.     TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);   // 清除更新中断，免得一打开中断立即产生中断  
    & G" B( b4 f; D6 R" ]$ R
42.     TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);   // 打开定时器更新中断  
    
43. 
    
44.     // NVIC配置      
    
45.     NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);   // 设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级
    $ z( K- p7 `4 B/ d5 s
46.         
    # O; Q# G9 q: I
47.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =TIM2_IRQn;   // 选择定时器2中断  
    
48.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;   // 抢占式中断优先级设置为0  
    * W8 Q9 H% H# Z5 z6 M$ g* P
49.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;   // 响应式中断优先级设置为0  
    : H) k) m  X$ s4 m* }2 j8 W0 @
50.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // 使能中断  
    
51.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
    $ k$ y+ q$ [' I4 e
52.    
    4 Q- p: \7 A5 [7 D. j" f# ~
53.     TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);      
    
54. }

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4.2 TIM开关程序
$ q1 u- k; g. K0 G$ }

1. /*
   
2. *==============================================================================
   6 L2 B" ^' C8 }% F$ f. F% y" [
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
   " ]$ F9 O; l, X+ P: e) ^$ k
4. *函数功能：打开定时器
   $ g7 }; |0 h4 F6 c$ Q9 }' N
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   2 m) u5 X6 R) y
9. */
   
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void)   // 打开定时器  
    
11. {  
    
12.     TIM_SetCounter(TIM2,0);   // 清除计数  
    ) R! {" K4 E9 a0 }
13.     gMsHcCount = 0;  
    
14.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 使能TIMx外设  
    8 z& s) l, V/ u% ^2 d9 w
15. }
    0 j4 u9 J4 Y. M0 i- s
16. /*
    9 R: C1 I4 _) S2 z8 P
17. *==============================================================================
    : q, g3 O9 n4 b5 M7 n6 z4 `
18. *函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc
    * j5 j9 d6 o- L) b: z% Q
19. *函数功能：关闭定时器
    
20. *输入参数：无
    
21. *返回值：无
    1 s2 z1 t' K* |( N5 O% V& C
22. *备  注：无
    9 A* i; @2 @0 L- Y6 d7 D$ H
23. *==============================================================================
    # y( C" Y$ k9 y' g
24. */
    ( d( C9 F/ s$ \, W
25. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void)   // 关闭定时器  
    
26. {  
    & L4 Y- F2 H) ^# b# K) \/ A
27.     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);   // 使能TIMx外设  
    
28. }  

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& Z5 m* Y4 `& p& l' v( W, K: {定时器中断服务函数如下

1. /*
   6 L6 m1 M, U5 V0 u& ~
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：TIM2_IRQHandler
   9 G6 h) O9 [( r7 N. i5 S0 A
4. *函数功能：定时器2中断服务程序
   
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   $ B3 {3 l3 Q! E8 Y7 [
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   ) r: d- J5 c7 e% w1 \- D
10. void TIM2_IRQHandler (void)   // TIM2中断  
    
11. {  
    # X  ]6 m* {- Z7 p1 ^$ A% y
12.     if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)   // 检查TIM2更新中断发生与否  
    ( ~2 B0 d9 f7 D4 v! U* b1 G
13.     {  
    
14.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIMx更新中断标志   
    
15.         gMsHcCount++;  
    
16.     }  
    
17. }   

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4.3 获取定时时间
0 }$ u- B- ?! _3 V+ j5 d

1. /*
   
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer
   6 U# L# s7 `! L% D8 v9 {
4. *函数功能：获取定时器定时时间
   ( p3 p. g' {1 F% ^( m
5. *输入参数：无
   " j1 V' I  n, P9 K# |+ ^! Y
6. *返回值：无
   . M8 V" O+ f' s  N# X" ^, w0 H& Q, b
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   
10. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)  
    
11. {  
    3 F- |' ]7 F# T
12.     u32 t = 0;  
    
13.     t = gMsHcCount * 1000;   // 得到MS  
    6 f" _- ~1 f: X' d4 B! {4 g5 d- B: T
14.     t += TIM_GetCounter(TIM2);   // 得到US  
    ! _, m2 J; Y* A$ R8 k
15.     TIM2 -> CNT = 0;   // 将TIM2计数寄存器的计数值清零  
    4 e) X" i: Q& O8 Z5 S( B/ U8 B
16.     delay_ms(50);
    
17.     return t;  
    $ ^- v  K  u$ I6 T: f- V+ J! ]
18. }

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8 T* r4 U% K- c) w% {; |& p& S' J4.4 计算测量距离

1. /*
   6 [" N6 [' ]# O$ y
2. *==============================================================================
   ! O% X5 G  w) z7 Q* y4 M
3. *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
   
4. *函数功能：获取测量距离
   
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   
7. *备  注：一次获取超声波测距数据 两次测距之间需要相隔一段时间，隔断回响信号
   0 F: ~. T" k3 `2 t7 m: p
8.                     为了消除余震的影响，取五次数据的平均值进行加权滤波
   + E; r: C" n2 w5 W/ Y, P5 O% ?
9. *==============================================================================
   + ?+ h& y1 x7 A# h" S0 u
10. */
    
11. float Med_Hcsr04_GetLength (void )  
    
12. {  
    , _1 t9 \0 t2 ?5 O9 f5 q2 E
13.     u32 t = 0;  
    
14.     int i = 0;  
    8 B: j) C% Q, [8 }
15.     float lengthTemp = 0;  
    3 W1 Y8 T5 p9 g; Y+ B$ ?: a1 P! o
16.     float sum = 0;  
    
17.     while(i!=5)  
    9 |) ^, ]5 U: P' F# y
18.     {  
    # ^1 i9 l5 C$ L
19.         TRIG_Send = 1;   // 发送口高电平输出  
    
20.         delay_us(20);
    
21.         TRIG_Send = 0;  
    0 D% T% o% G- _! y0 @
22.         while(ECHO_Reci == 0);   // 等待接收口高电平输出  
    
23.         Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc();   //打开定时器  
    8 O8 Z* K  q* @5 n# g7 R
24.         i = i + 1;  
    
25.         while(ECHO_Reci == 1);  
    ' c% \$ `% ]& m+ k# Q: r
26.         Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc();   // 关闭定时器  
    
27.         t = Drv_Hcsr04_GetEchoTimer();   // 获取时间,分辨率为1us
    . w. e; ~* x4 R+ Y9 ]% _
28.         lengthTemp = ((float)t/58.0);   // cm  
    
29.         sum = lengthTemp + sum ;        
      S" f2 {* j! S
30.         }  
    
31.     lengthTemp = sum/5.0;  
    
32.     return lengthTemp;  
    
33. }

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4.5 宏定义
/ J) s( U7 P+ [1 O

1. #define HCSR04_PORT   GPIOB   // 定义IO口
   
2. #define HCSR04_CLK    RCC_APB2Periph_GPIOB   // 开启GPIO时钟  
   
3. #define HCSR04_TRIG   GPIO_Pin_8   // 定义Trig对应引脚
   0 D- Z! n# \1 W- I7 I$ f3 W
4. #define HCSR04_ECHO   GPIO_Pin_9   // 定义Echo对应引脚
   
5.   
   : {. P# _3 f! ~- J6 R9 h, I1 ]
6. #define TRIG_Send  PBout(8)   // 将TRIG_Send映射到PB8
   
7. #define ECHO_Reci  PBin(9)   // 将ECHO_Reci映射到PB9
   
8. 
   
9. void Drv_Hcsr04_Init(void);   // Hc-sr04初始化
   $ {. z& R, T  ]4 [" E, [$ E
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void);   //打开定时器
    1 [) [* P) z$ a  s! ~# H
11. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void);   //关闭定时器
    % W3 k/ h2 b( l: q2 f: N; n. z1 I
12. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer(void);   // 获取定时器时间

复制代码

五、应用实例
利用串口打印距离信息，main函数如下

1. float gDistance = 0;   //定义获取返回距离变量
   
2. 
   
3. int main(void)
   # b* B) Q* [* |1 t  B9 ^
4. {
   ) i2 S: Q! h' H3 r! y
5.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
   ' y0 e- Q2 L% `5 o5 N7 x1 N0 i! `
6.    
   
7.     while(1)
   ; ^% A0 O1 B. {. A% ~- y
8.   {
   
9.         gDistance = Med_Hcsr04_GetLength();   //获取返回距离
   : T6 q# n  {: K' K
10.       printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance);   //串口打印返回距离
    
11.         
    ! I, |) T. ^- h
12.         delay_ms(500);   //延时500ms = 0.5s
    ( q* o/ Q! n0 u( \8 C
13.     }
    4 i/ k- D( j$ L) L, R' }0 e0 |
14. }

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2 v% |/ o6 N8 C六、拓展应用
- p* [2 k* Q9 `超声波测距比较常用的，比如利用超声波测距模块实现智能车的自动避障，这个在后续实战项目系列中会有，在此就不再详细介绍了。主要思路就是根据HC-SR04测得的与障碍物的距离，来决定是否要停止或转弯，以及往哪边转弯。
+ l& `/ t" H/ V
, p1 F! f9 A" g, d- X5 d* i3 ]- `转载自：二土电子
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$ p7 k/ R- K" r8 I" H
+ Y6 W# A! }. r8 `; [5 @