一、超声波测距基本原理
' K+ \! c, P# q' e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。

1 g) Z" _8 i2 x: c, K4 D: n距离的计算公：:d=s/2=(c*t)/2

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。
- w9 M& n: a- c3 |
3 \' {! @( x1 a8 x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

不同温度下超声波声速表

. E8 H6 J  D! A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
4 Y* w3 a: k( K( A1. 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。
# v1 j1 d' V. ]% H: l
9 b  h! ~0 P& G9 W0 j1 h2. 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。

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。
8 f( F" F+ A3 \( h- A0 d, C

1 ]5 k& T0 h# [  J% M' D二、超声波传感器简介
- c5 o0 u# W! g6 B( M  ~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。

3 E- X. F$ q' Q

HC-SR04

) a+ C8 H7 G$ O9 G" a
0 i! T/ N3 N: F  d
  o' V- t) f! e2 y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。
/ p6 ^0 v9 Q" ^• 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
& n2 ^. @2 ?! ~• Echo —— 该引脚在接收到返回的超声波信号后会变为高电平
8 i- @5 O3 d5 J5 {
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。


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. /*
   % W2 {: ?/ C" s6 u6 v
2. *==============================================================================
   * l( h: B4 m4 b- L
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_Init
   3 V. O" n3 x' a$ Q9 l3 f
4. *函数功能：初始化HC-SR04
   / \7 p7 i3 J2 k
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   ! D! ]9 ~: I! C
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
   - u" i9 f: o" `6 n8 o! e% K" _
8.           初始化完TIM2后，没有使能，当Echo收到高电平后使能
   3 N4 D2 j  T2 ^! V! a
9. *==============================================================================
   ' S5 _: S7 D1 n+ p1 Q& c
10. */
    
11. void Drv_Hcsr04_Init (void)   // Hc-sr04初始化
    " m2 k! O# S0 ~
12. {   
    & B  f/ W9 s4 |+ }7 H) p- z
13.     // 结构体定义
    
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
    , x. V+ j4 E( P9 v) G) s1 E! [0 E$ ~
16.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC结构体
    4 r9 e1 p3 n& Y( M; Y  H
17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);   // 使能GPIO时钟
    
18. 
    ' u/ o: c6 ]5 q  z& x
19.     // GPIO初始化  
    " v2 R! d+ {. h/ a, R
20.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;   // 发送电平引脚  
    * A9 T) L* ]8 Q  S6 P8 U
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  
    
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);      
    
30.          
    
31.     // 定时器初始化 使用基本定时器TIM2  
    1 y# M) a: F+ R7 w! L$ U
32.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);   // 使能对应RCC时钟  
    ' X3 ~  |# n3 t8 W$ d) G8 M
33.     // 配置定时器基础结构体  
    . ^9 J( `; i$ `4 E/ e. f& i
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 )
    , x- K' x* y( Q, X0 t! s
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 \1 {- H4 O$ T  d; `
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  
    
42.     TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);   // 打开定时器更新中断  
    
43. 
    1 V% n+ `( h9 P; d
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
    8 U7 @( T! a# _9 b4 L
46.         
    
47.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =TIM2_IRQn;   // 选择定时器2中断  
    ! s* S3 q# U  L( P/ |/ L) ~0 m# H
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  
    4 q+ C+ N0 F8 q& Y% V. z
50.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // 使能中断  
    
51.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
    
52.    
    
53.     TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);      
    - \* }: H4 ]& x, u
54. }

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9 \' z% r2 m/ u# Q* z( m4.2 TIM开关程序

1. /*
   . }3 }( f/ y0 B5 @6 s
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
   ! P1 a/ j( q+ u6 f
4. *函数功能：打开定时器
   ! T1 h. B# K! m3 j: b3 B
5. *输入参数：无
   * a7 H# P6 g- k2 d" Z
6. *返回值：无
   / A+ z* W' e0 W* {( n$ q
7. *备  注：无
   2 d! f0 ^& }( k- U
8. *==============================================================================
   
9. */
   
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void)   // 打开定时器  
    5 C/ W. s; z2 v1 E4 G
11. {  
    1 }) c% z7 C) c. T6 Q4 o. }
12.     TIM_SetCounter(TIM2,0);   // 清除计数  
    . t4 W3 M7 u# o8 Z
13.     gMsHcCount = 0;  
    ! I5 Y1 K3 Y) j! Z* v; q
14.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 使能TIMx外设  
    
15. }
    
16. /*
    
17. *==============================================================================
    8 A7 H; _; R/ q* u: x4 i9 d% v
18. *函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc
    
19. *函数功能：关闭定时器
    ) C4 F# ^4 `& S) P9 G$ o* d0 C
20. *输入参数：无
    ' B/ q/ r' J% O" f. C! w0 t
21. *返回值：无
    
22. *备  注：无
    
23. *==============================================================================
    
24. */
    
25. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void)   // 关闭定时器  
    
26. {  
      W; H6 }. `) ~$ h' F9 K! k& B
27.     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);   // 使能TIMx外设  
    , |! t8 y# l: A# H
28. }  

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8 b* U) Q, ^! U5 g( i! i3 ~定时器中断服务函数如下
, P1 g2 `0 H9 c

1. /*
   
2. *==============================================================================
   / ]* I4 `8 C0 ]+ y% R. V) ^
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
   5 j! J+ |% o! t/ d  d1 }+ t
6. *返回值：无
   4 S- D9 n; d' Z* P- E' h
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   " i/ R/ T. N9 r0 P! N4 j8 k
9. */
   
10. void TIM2_IRQHandler (void)   // TIM2中断  
    5 E( l; `% v, h* G5 l) K
11. {  
    
12.     if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)   // 检查TIM2更新中断发生与否  
    
13.     {  
    
14.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIMx更新中断标志   
    2 r- y! k7 l7 o$ ~# z7 N, k
15.         gMsHcCount++;  
    - ^' l% ~8 N  b+ |- j% k; L. J; X1 A
16.     }  
    ) h1 v0 d# j5 C. ~2 B6 W" |
17. }   

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. I* _- D8 z/ R2 {3 u) x3 Q4.3 获取定时时间

1. /*
   2 m0 b- Q* |; [) z
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer
   
4. *函数功能：获取定时器定时时间
   7 Z9 y+ J! z, ^/ E# K9 c* e
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   % D' \, f9 j" k. |9 Q
8. *==============================================================================
   
9. */
   8 L3 R; n8 Z5 ]0 }0 M% `5 K1 X6 C
10. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)  
    5 o- n$ F, t; n) ~. J  q: k3 d
11. {  
    
12.     u32 t = 0;  
    
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);
    ; c, U0 M# X9 q+ b% a; Q! c" z
17.     return t;  
    ! A$ a8 d2 ^* p. I7 R- Z
18. }

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4.4 计算测量距离
: Y- w2 @+ n/ n$ e) z0 B

1. /*
   
2. *==============================================================================
   * }: C: C4 k) ]
3. *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
   7 W& N3 n8 m, B/ O4 I
4. *函数功能：获取测量距离
   1 i9 T; l( ?0 ~0 j( P$ K8 n
5. *输入参数：无
   . K/ V( \; Z! X6 `: ^  I
6. *返回值：无
   5 f; R4 N/ u+ o' }- Z
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
   $ I; V8 g9 V4 T$ h+ v
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. */
    % _4 g: [& N# d8 l7 E
11. float Med_Hcsr04_GetLength (void )  
    
12. {  
    
13.     u32 t = 0;  
    # o6 x5 D& h- a( h  W0 o7 L3 G
14.     int i = 0;  
    9 }5 H5 I! w0 T  p; m
15.     float lengthTemp = 0;  
    , _' e. Q1 \; z9 i+ r
16.     float sum = 0;  
    
17.     while(i!=5)  
    
18.     {  
    
19.         TRIG_Send = 1;   // 发送口高电平输出  
    ( C! X, h: ~  t7 |  P1 B
20.         delay_us(20);
    
21.         TRIG_Send = 0;  
    ! a" I; E. N5 h8 S! a
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;  
    
25.         while(ECHO_Reci == 1);  
    7 r- z  |* l- F6 X: Q' H
26.         Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc();   // 关闭定时器  
    ) ~& n2 T6 S6 {! g/ R) c+ j' Z
27.         t = Drv_Hcsr04_GetEchoTimer();   // 获取时间,分辨率为1us
    " B  `, S( w& ?* a( j0 N4 f, `. z
28.         lengthTemp = ((float)t/58.0);   // cm  
    
29.         sum = lengthTemp + sum ;        
    * w$ H/ E' i* {' O9 J4 x' ^
30.         }  
    
31.     lengthTemp = sum/5.0;  
    
32.     return lengthTemp;  
    0 T& Q2 N$ ~$ @1 N" v. h
33. }

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9 g- U# J8 |9 [' {# E4.5 宏定义

1. #define HCSR04_PORT   GPIOB   // 定义IO口
   $ T$ G! I, L4 s6 C/ y6 D" m/ V
2. #define HCSR04_CLK    RCC_APB2Periph_GPIOB   // 开启GPIO时钟  
   ) Q2 T. }9 d9 {/ J1 I% a
3. #define HCSR04_TRIG   GPIO_Pin_8   // 定义Trig对应引脚
   % S3 s* ], M# l% A, X/ H
4. #define HCSR04_ECHO   GPIO_Pin_9   // 定义Echo对应引脚
   ' v. s; h6 v" B1 V6 S- E
5.   
   
6. #define TRIG_Send  PBout(8)   // 将TRIG_Send映射到PB8
   & r2 d; w0 p9 z" a! A+ N* F
7. #define ECHO_Reci  PBin(9)   // 将ECHO_Reci映射到PB9
   . S* [1 I# z; g" s( E/ v$ ?
8. 
   ; U4 \( n8 B4 j1 }  v
9. void Drv_Hcsr04_Init(void);   // Hc-sr04初始化
   
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

# Y7 R% y/ Z* k+ h* J
3 h( z+ u7 q2 C2 E# g4 T五、应用实例
' E; N+ b+ j* B/ h% e利用串口打印距离信息，main函数如下
. G* m$ Y9 e; b( M! j/ [# L

1. float gDistance = 0;   //定义获取返回距离变量
   3 N9 B: j) @+ c* w# t7 I- o$ ]
2. 
   
3. int main(void)
   
4. {
   / U  `; d. r0 |) z3 Z+ ?8 q7 t/ ?
5.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
   
6.    
   ) ^" u; I. m' w1 s' T
7.     while(1)
   
8.   {
   . M6 T9 \* E; y" G1 }+ Y4 U
9.         gDistance = Med_Hcsr04_GetLength();   //获取返回距离
   & k3 b/ Z( u2 E7 o% o  Z1 [& S8 a
10.       printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance);   //串口打印返回距离
    
11.         
    : j$ P+ B& K& e- I7 B5 C
12.         delay_ms(500);   //延时500ms = 0.5s
    
13.     }
    3 W8 ~6 W5 o! A& K
14. }

复制代码

六、拓展应用
7 D3 t9 Z$ o. _- U* |/ |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。
2 [9 P0 X' G5 v1 L7 W0 M4 v
转载自：二土电子
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: F2 B8 {, G" d/ w% V
, ?* G; c, Z: R3 I" U5 ~( p/ A
. t1 j8 \3 s! ^" Y  d