一、超声波测距基本原理
9 O+ w' u! G" L* t6 k4 L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
6 [' _$ k4 `! l/ }& B/ k
0 X; s3 S6 n3 c6 i" B( a  k  Z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。
+ F7 s, _/ R# o  @$ f1 l
6 c3 w1 K+ l( \/ F/ N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

( |1 w, n( x1 ~  O; v

: U* k6 |! T+ I9 c

不同温度下超声波声速表

补充说明
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
1. 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。

2. 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。

6 F2 E" o* E( l" w3. 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。

, V, J" v6 A0 f* S- y
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。

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。
' G" N& a) p) ^
; C* [+ L; v! W0 l) M

HC-SR04

+ ]! j( i; F* k- r
* t: e/ H. b* X/ b1 ~5 j
8 V; l* G3 n: |2 `2 X三、HC-SR04测距实现思路
2 N' n, o: Q% X( b- W4 `" P+ b9 w; |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
1 w( i5 h! [! z: C+ K: W9 r2 y• 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
" O, b7 O$ v; j• Echo —— 该引脚在接收到返回的超声波信号后会变为高电平

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。

. e) r% V% U) q: a
四、超声波测距程序实现
4.1 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. /*
   : j0 p. h0 ~0 ~! e1 u( D/ [. Q
2. *==============================================================================
   ; H4 |: U: ~# K
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_Init
   
4. *函数功能：初始化HC-SR04
   : X7 n% i( v& o  u# |. a( k& e3 A
5. *输入参数：无
     m; y1 D6 P; O9 _
6. *返回值：无
   - |* P5 ?8 j7 }. b2 Y4 z
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
   5 r; T* S% z# Q3 u# \3 s
8.           初始化完TIM2后，没有使能，当Echo收到高电平后使能
   $ c. _9 j. D7 z/ F5 {6 Y" H0 S; h# Q
9. *==============================================================================
   9 i$ }$ ^4 V1 t6 U; t
10. */
    
11. void Drv_Hcsr04_Init (void)   // Hc-sr04初始化
    
12. {   
    ( e: `" a5 Z! V& }' n
13.     // 结构体定义
    
14.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;   // 生成用于定时器设置的结构体  
    5 R) V8 y8 z# s7 [
15.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // GPIO结构体
      x9 q* X+ D' p" |3 ^
16.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC结构体
    3 p* M4 W  u3 [* z  f
17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);   // 使能GPIO时钟
    
18. 
    
19.     // GPIO初始化  
    5 ]& e0 F% U$ T6 |! M6 f
20.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;   // 发送电平引脚  
    " w4 [# @& M2 {* i; x3 Z
21.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
    ! W  Q/ u. w, l+ M2 O
22.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   // 推挽式输出  
    : A" f- Z' d% F8 L5 L
23.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
    
24.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);  
    7 c' }2 L* U8 _9 Z+ `* j' t( P
25.          
    
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  
    
28.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);   
    
29.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);      
    4 y5 K3 Y" X8 l
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  
    
33.     // 配置定时器基础结构体  
    1 H0 s2 q4 ], O0 }' N: B& k4 x
34.     TIM_DeInit(TIM2);  
    ; M6 ^" L/ W; v. D# G
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  
    
37.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;   // 不分频  
    ( [7 Z( R* O7 s
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         
    % i- b4 ^5 r- f& N; D
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  
    * u2 l$ B2 |$ u/ L/ E
42.     TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);   // 打开定时器更新中断  
    8 V- p4 p% }5 T' C
43. 
    $ |3 f# l9 K. `" z5 e9 S# P
44.     // NVIC配置      
    . U. v+ k+ D( s, G6 i" N0 l; @
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.         
    
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  
    * A) r$ c% x+ o( @4 \* M1 Y1 M  C
49.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;   // 响应式中断优先级设置为0  
    0 Z* _6 `% h* c8 h
50.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // 使能中断  
    8 ?! h& Z0 J2 L& j: s
51.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
    
52.    
    . x5 \+ C) B) y$ g/ Y8 J
53.     TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);      
    ( R/ w% x" r4 H3 L# |0 P6 J, _
54. }

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' D' S: Z* N0 F) ]/ I" T$ L  y4.2 TIM开关程序
; f% ^" m# J9 c- U; Q* g+ b

1. /*
   / ]8 ^9 k6 D# ^" t! H
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
   : Z" @& w6 Z* M  n
4. *函数功能：打开定时器
   
5. *输入参数：无
   9 }4 i% f* m+ D' V9 U# X
6. *返回值：无
   0 A' J0 o; `. ]+ ?- p6 ~4 s
7. *备  注：无
   - V7 ~3 p0 u% M; ?! J4 S0 J
8. *==============================================================================
   
9. */
   
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void)   // 打开定时器  
    % a" {8 g3 l: `/ _
11. {  
    & z. }# Z7 G5 l! x# q( B* c! H; T
12.     TIM_SetCounter(TIM2,0);   // 清除计数  
    
13.     gMsHcCount = 0;  
    
14.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 使能TIMx外设  
    * R) l% f3 l1 o( B8 \& G
15. }
    0 T1 v# z+ r& m: m
16. /*
    ( }. `6 R# a% o6 S7 z
17. *==============================================================================
    
18. *函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc
    
19. *函数功能：关闭定时器
    
20. *输入参数：无
    
21. *返回值：无
    2 t% y5 i' U- ]) ~! D# e/ Z" p) m
22. *备  注：无
    
23. *==============================================================================
    5 |  Q# M1 V- `; G
24. */
    
25. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void)   // 关闭定时器  
    
26. {  
    . ^) o3 [' s6 T5 h) A' o
27.     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);   // 使能TIMx外设  
    8 p7 K0 ]3 U. f# O, H6 v8 V
28. }  

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& i5 Y& c; e0 D定时器中断服务函数如下

1. /*
   
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：TIM2_IRQHandler
   
4. *函数功能：定时器2中断服务程序
   % y' t+ F; F- ]! X8 ~5 U
5. *输入参数：无
   8 F+ a, h: m; e9 K. ?+ T
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   1 [; {9 f& b7 j5 w. q
10. void TIM2_IRQHandler (void)   // TIM2中断  
    * |8 Y0 }  l  d8 T, V
11. {  
    
12.     if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)   // 检查TIM2更新中断发生与否  
    6 }4 a2 j7 Q0 c7 v# ?2 \; j
13.     {  
    2 g/ a3 b1 n* d9 z$ c
14.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIMx更新中断标志   
    $ ?# Q/ q$ V/ U* v
15.         gMsHcCount++;  
    
16.     }  
    6 p+ m2 v7 {+ W4 F/ y+ P& S7 o. o
17. }   

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4.3 获取定时时间

1. /*
   
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer
   
4. *函数功能：获取定时器定时时间
   ; ]8 j5 y) t7 ?/ {
5. *输入参数：无
   * w4 f# s( W: |
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   % t* z& i* W/ `  o
8. *==============================================================================
   ! c' c8 i/ |9 P$ U4 n0 f( E+ k
9. */
   
10. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)  
    
11. {  
    
12.     u32 t = 0;  
    3 h- F/ `. j5 q0 `9 @
13.     t = gMsHcCount * 1000;   // 得到MS  
    4 q2 \7 {/ v8 t* J! v6 u) _# Y
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  
    / U% m* B3 e1 o2 y
16.     delay_ms(50);
    
17.     return t;  
    ! e& Y3 {7 f) {+ j( l
18. }

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. ^3 }2 F) f) r' @) s4.4 计算测量距离

1. /*
   9 [' x3 Y3 M+ |7 T: v# R9 ]" s
2. *==============================================================================
   2 g; Q% A! `) d- Q9 u5 M
3. *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
   ! d! [9 S& c/ G! o7 I
4. *函数功能：获取测量距离
   3 q$ _' L+ M1 E5 }$ O' x
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   4 |! @) Z4 R5 p& o
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
   . ^5 W) Y5 m, H# {6 X# J6 R
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
   " N, T7 n0 p6 C; Q( L
9. *==============================================================================
   ; j$ h. h' y, F$ j9 ]) U1 x
10. */
    + `" K' ^! G$ x3 e& W( g
11. float Med_Hcsr04_GetLength (void )  
    9 ?3 h. R% m( k. Y# H$ C) u- X
12. {  
    
13.     u32 t = 0;  
    
14.     int i = 0;  
    : ^7 r% r/ R" h$ J/ G
15.     float lengthTemp = 0;  
    7 L3 L" }! G0 k4 i% m- F
16.     float sum = 0;  
    
17.     while(i!=5)  
    # m% x0 t4 l  ?8 a
18.     {  
    + y0 s( K1 k5 j) B0 F
19.         TRIG_Send = 1;   // 发送口高电平输出  
    
20.         delay_us(20);
    
21.         TRIG_Send = 0;  
    
22.         while(ECHO_Reci == 0);   // 等待接收口高电平输出  
    ! t* }/ P! B6 k* S
23.         Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc();   //打开定时器  
      D7 _1 W8 E& b8 C, T; s
24.         i = i + 1;  
    
25.         while(ECHO_Reci == 1);  
    9 L5 Z! Z; j- R4 X6 U( A# [
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  
    8 A' |6 H$ v" \: j- f
29.         sum = lengthTemp + sum ;        
    6 l: ^. x6 a/ }5 g+ {4 g
30.         }  
    0 p; S2 u. V% F# F5 c
31.     lengthTemp = sum/5.0;  
    
32.     return lengthTemp;  
    
33. }

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% E" \  N: n/ g' d; K- |2 E9 ?: P4.5 宏定义
; {8 _! O+ B5 q

1. #define HCSR04_PORT   GPIOB   // 定义IO口
     N5 U! c/ U# S/ Q% n! ]
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
   
4. #define HCSR04_ECHO   GPIO_Pin_9   // 定义Echo对应引脚
   
5.   
   8 {6 w; v+ k7 @5 I' l/ T
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. 
   8 U% i0 y% N  q3 U% r, \
9. void Drv_Hcsr04_Init(void);   // Hc-sr04初始化
   & q/ X* Y* f) q# N/ m
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void);   //打开定时器
    
11. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void);   //关闭定时器
    
12. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer(void);   // 获取定时器时间

复制代码

五、应用实例
4 _2 p# ~! b8 }5 ]4 K' h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)
   
4. {
   + E5 D9 K: p. P
5.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
   ; k2 f5 s3 v; m5 l) R
6.    
   
7.     while(1)
   
8.   {
   
9.         gDistance = Med_Hcsr04_GetLength();   //获取返回距离
   . `+ T7 Y  Y1 B/ o# Z: p2 B; e: A
10.       printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance);   //串口打印返回距离
    1 X$ s4 V1 c  L( ^' |
11.         
    - L9 l( _3 A( @* w' g) ?% ?
12.         delay_ms(500);   //延时500ms = 0.5s
    $ C2 X6 m( Y3 @' `+ l, |4 W& `. _7 R
13.     }
    
14. }

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六、拓展应用
  g- z: x0 o9 [4 C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。

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5 g7 o5 T9 C2 I6 ]* R- v2 C

  @: F5 ^" [, M$ u