一、超声波测距基本原理
4 \/ _5 R2 e1 [$ n4 K3 `% k9 z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。

7 r9 K, H- O, B3 _. Q9 }  q距离的计算公：:d=s/2=(c*t)/2

( l4 s' ^9 W% b5 X6 U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。
# l4 I* [0 i7 B' y' ?, a" B: C
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
; z) h) {/ n9 k: |& ?& I

% q( k. U5 T6 @; X3 j5 ~* m$ \, B  k

不同温度下超声波声速表

6 D& A/ d, o: ~# D0 x1 V0 `
补充说明
1 l! `, R! Q- r0 e* G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
: G( T! C$ n$ H1. 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。
# B. A* d9 `8 o6 f5 e  w7 g
4 C+ T) m4 h" k  T8 o8 L2. 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。

. P) ~. g' i' T  B# D& o3 P3. 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。
2 `) y1 Q- t# \9 c/ d
6 |( w1 h; g4 b/ r, S( Y
二、超声波传感器简介
  V0 @4 `, z% }& @5 m7 x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。

' I0 }' W( t2 H  _9 S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。
; U9 P( M# p  \

; R! a8 a* a0 _0 G( O, `. k! i

HC-SR04

三、HC-SR04测距实现思路
2 |  U9 y* F" R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
3 P5 n' L5 v# x: w/ {• 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
4 c  }/ w3 X( V1 c$ [( c8 H9 s• Echo —— 该引脚在接收到返回的超声波信号后会变为高电平
4 F6 m# t# h" X; n- f" j
Echo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。
! d: V3 A. g8 u% w/ ~2 ~

, S1 Q. Y5 |9 O# l, O# I8 f: H* D4 P四、超声波测距程序实现
- f% h  T( G( i. p5 h4.1 HC-SR04初始化程序
HC-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. /*
   0 j  Q0 `2 ^8 P7 f( Y. I
2. *==============================================================================
   * ?1 Y" F* j3 z  |9 a2 W. v5 {/ n* J
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_Init
   
4. *函数功能：初始化HC-SR04
   
5. *输入参数：无
   8 _6 `/ v; Y* E- i
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
   9 M3 _; q' a4 g* M# A) a* L
8.           初始化完TIM2后，没有使能，当Echo收到高电平后使能
   . ]9 o( x( |1 O2 W
9. *==============================================================================
   
10. */
    
11. void Drv_Hcsr04_Init (void)   // Hc-sr04初始化
    , a( n- i2 m7 c" s5 m
12. {   
    
13.     // 结构体定义
    1 q/ V! x9 J5 j, q3 H, p# [9 v
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
      m7 b$ G8 ~& t; X2 v* [
16.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC结构体
    % B* {+ i# k( d1 c
17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);   // 使能GPIO时钟
    + H0 i# ?/ q: h, H
18. 
    7 L4 v: w3 S7 c. t% l" z
19.     // GPIO初始化  
    & ?. d# v1 I! X& u% I1 r
20.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;   // 发送电平引脚  
    0 Q3 p  F/ _- g" ~
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);  
    ; J, d# K0 k% i2 {6 ^, O" B- j8 y
24.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);  
    
25.          
    . {% B# L8 I! t' }# E$ {
26.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;   // 返回电平引脚  
    
27.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入  
    4 }* t8 }( R% [
28.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);   
    4 H% s+ G! a: _3 O" S& Q# m- \
29.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);      
    . C/ v4 e, n8 T
30.          
    
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  
    7 D7 x0 z2 E4 P: ^& S
33.     // 配置定时器基础结构体  
    8 ~& H" Y- `. G9 m; Z
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 )
    $ p1 j: R* z( z' O- d6 `+ b
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  
    4 ~& k3 R$ p. l2 ?9 T/ C
37.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;   // 不分频  
    % D2 u' t# G' Q7 x1 n% K# k
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         
    0 h# x- \5 h2 O/ g! ~. v. D
40.                
    ( B' ^' y5 T. q# I4 J2 }
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  
    
42.     TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);   // 打开定时器更新中断  
    % \' k/ G/ P" }8 I! G
43. 
    8 o6 s8 ?8 L8 N) M, s, a
44.     // NVIC配置      
    & ^5 E" H% \$ ?/ ^
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
    
46.         
    . U( y, T) \6 n- s
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  
    
49.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;   // 响应式中断优先级设置为0  
    $ U" R* G: r# S
50.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // 使能中断  
    
51.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
    
52.    
    ' \, O! e6 |% j. s( B* P
53.     TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);      
    8 V) R1 w0 @8 g9 R# @9 H
54. }

复制代码

4.2 TIM开关程序

1. /*
   6 }' f6 h. G% U6 ]6 e0 K
2. *==============================================================================
   * |( r: Y: Q2 g1 X* z
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
   
4. *函数功能：打开定时器
   ( n9 Q/ W" _& m" y  O  l; N! |, y& C
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   3 m" D# e( R8 P% h; H$ q
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void)   // 打开定时器  
    
11. {  
    * E6 W" |, e" S6 J7 e5 X' ?
12.     TIM_SetCounter(TIM2,0);   // 清除计数  
    
13.     gMsHcCount = 0;  
    " j  a& T9 o0 c( l- z/ S
14.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 使能TIMx外设  
    
15. }
    
16. /*
    
17. *==============================================================================
    
18. *函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc
    
19. *函数功能：关闭定时器
    2 J& E  p$ C" e& {1 M
20. *输入参数：无
    
21. *返回值：无
    3 U# Q+ @  i1 l- r3 y
22. *备  注：无
    2 q/ y" r$ T1 X7 A
23. *==============================================================================
    $ e3 g* i: n) J4 S9 G
24. */
    
25. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void)   // 关闭定时器  
    3 B2 n+ Z+ q6 p' e
26. {  
    
27.     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);   // 使能TIMx外设  
    
28. }  

复制代码

$ }1 U6 w! S+ C定时器中断服务函数如下
' c6 Z, T  W8 Z/ W$ b

1. /*
   
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：TIM2_IRQHandler
   
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
   : K) O2 J6 O6 l) Q1 i
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   : b: z2 s3 Z1 o
9. */
   
10. void TIM2_IRQHandler (void)   // TIM2中断  
    
11. {  
    
12.     if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)   // 检查TIM2更新中断发生与否  
    0 p1 S5 x" [4 c4 l8 F" q
13.     {  
    
14.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIMx更新中断标志   
    
15.         gMsHcCount++;  
    
16.     }  
    
17. }   

复制代码

4.3 获取定时时间
' S! ~$ y6 C5 Q5 p$ k

1. /*
   
2. *==============================================================================
   3 W) O/ I1 A5 c
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer
   
4. *函数功能：获取定时器定时时间
   6 C! |3 W9 ^) I
5. *输入参数：无
   ; Y" T. U- h. r4 i9 ~0 L
6. *返回值：无
   . s! a1 Z5 w- l) ~
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   $ T% h: s% {5 Z, X  A9 Z
10. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)  
    9 m# f( F4 N3 ~" a' n: e
11. {  
    2 `+ g# P. F/ J, U6 o; r2 \
12.     u32 t = 0;  
    8 W6 u* G0 H2 y% R' d' k$ e9 Y; ~
13.     t = gMsHcCount * 1000;   // 得到MS  
    
14.     t += TIM_GetCounter(TIM2);   // 得到US  
    
15.     TIM2 -> CNT = 0;   // 将TIM2计数寄存器的计数值清零  
    
16.     delay_ms(50);
    & N, h2 F* a4 D; T$ ~3 W6 f8 r
17.     return t;  
    
18. }

复制代码

4.4 计算测量距离
3 }% Z. ?7 m3 `) t* ~: N

1. /*
   : k& a5 M# M% ~( E4 \' M, u/ u( i" S
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
   
4. *函数功能：获取测量距离
   * F9 D" o$ W  ]& C- F. N. \
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   ; ^4 J4 u+ i7 p6 B+ {
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
   
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
   
9. *==============================================================================
   
10. */
    
11. float Med_Hcsr04_GetLength (void )  
    
12. {  
    - O, O- \& g9 d7 o" l
13.     u32 t = 0;  
    % P- {/ R7 o" j
14.     int i = 0;  
    % [$ o0 I5 c' h% `! S
15.     float lengthTemp = 0;  
    % k/ K# A: h; r3 I; m
16.     float sum = 0;  
    
17.     while(i!=5)  
    $ e( V! q, J7 c" i0 A
18.     {  
    
19.         TRIG_Send = 1;   // 发送口高电平输出  
    # Q# a) i0 U, a3 B
20.         delay_us(20);
    ' j  G. S% L  N0 h" b2 p9 X+ Q$ W, y
21.         TRIG_Send = 0;  
    
22.         while(ECHO_Reci == 0);   // 等待接收口高电平输出  
    
23.         Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc();   //打开定时器  
    
24.         i = i + 1;  
    - g0 i: k, D* G9 G+ ]- b
25.         while(ECHO_Reci == 1);  
    1 J+ x/ y5 ~& y7 D: ?5 L: v
26.         Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc();   // 关闭定时器  
    
27.         t = Drv_Hcsr04_GetEchoTimer();   // 获取时间,分辨率为1us
    
28.         lengthTemp = ((float)t/58.0);   // cm  
    
29.         sum = lengthTemp + sum ;        
    # ?& L! R- L: P9 x3 v
30.         }  
    
31.     lengthTemp = sum/5.0;  
    
32.     return lengthTemp;  
    3 h" A9 S: x" A4 A
33. }

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7 j: k" T7 @, j+ S! @6 W3 K  Y) ~6 K. M4.5 宏定义

1. #define HCSR04_PORT   GPIOB   // 定义IO口
   + T! M; G4 J) ~) q9 c9 k/ D
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
   ! ?9 a7 \' E7 {" F
4. #define HCSR04_ECHO   GPIO_Pin_9   // 定义Echo对应引脚
   
5.   
   
6. #define TRIG_Send  PBout(8)   // 将TRIG_Send映射到PB8
     Q- t# N( ^- l
7. #define ECHO_Reci  PBin(9)   // 将ECHO_Reci映射到PB9
   * i2 d" a! B- q$ f8 c$ f
8. 
   
9. void Drv_Hcsr04_Init(void);   // Hc-sr04初始化
   $ s5 ]0 _% }7 z  U) R3 v
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void);   //打开定时器
    % [* z1 l7 g( r) V. P
11. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void);   //关闭定时器
      ~5 _' f5 n, ]0 _  Z9 m
12. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer(void);   // 获取定时器时间

复制代码

" w* [- X1 m# C" @: L五、应用实例
利用串口打印距离信息，main函数如下
. N, F# ~5 S  h2 U3 i3 \

1. float gDistance = 0;   //定义获取返回距离变量
   
2. 
   
3. int main(void)
   $ o  g9 a' b  f+ [; U, @
4. {
   
5.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
   
6.    
   
7.     while(1)
   8 ^* ?" f& v! o& Q, C" l
8.   {
   ) n. C8 f/ ]0 L- w- u  j% o" z
9.         gDistance = Med_Hcsr04_GetLength();   //获取返回距离
   3 A9 I6 F$ H9 f8 |$ k3 q( N5 B% U
10.       printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance);   //串口打印返回距离
    
11.         
    
12.         delay_ms(500);   //延时500ms = 0.5s
    8 |, }' L0 k: F2 p3 X
13.     }
    
14. }

复制代码

2 y: B+ ~7 J+ o! [六、拓展应用
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。
! u. m; Y8 K& k
转载自：二土电子
如有侵权请联系删除
2 }  g# O2 w: d. p
4 N& q: N7 B; g3 M7 q! [4 s  O
3 ]8 {; t3 m. V# ^: @0 I