一、超声波测距基本原理
, a6 ^9 L3 D/ [  u% 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。

: O% U5 o7 k2 V+ z6 R5 Y, ]# P# W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。

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

2 b9 \% N( c' K, }* f

: y, Y9 F! C) @( s3 _

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
& S, t& m5 }/ S! A* n! Y1. 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。
3 q% G# |# k6 Q1 w, V% x  r
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。
2 r' g3 ~2 R0 z0 f' [

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。
% W7 g5 N) ^  a: r' p
. y; x" m, [/ i' G4 J1 Q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。

2 l# e9 }" y* H; D0 I

HC-SR04

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。
; N" B- x' }2 E$ T• 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

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。
. l; f8 Q' O2 V; |: \
' ~" h, n" e+ z3 ~! \
  T, ]' [, M2 S- F( u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. /*
   
2. *==============================================================================
   8 y( l" M; }& ~4 v5 w
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_Init
   ) @/ s) @; {8 u, Q' ~  c/ j
4. *函数功能：初始化HC-SR04
   ) a2 j8 v. l! z. D
5. *输入参数：无
   ( W1 P* A8 K: [% q
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
   
9. *==============================================================================
   6 ]& z  {1 t* V( J9 O
10. */
    
11. void Drv_Hcsr04_Init (void)   // Hc-sr04初始化
    ) j4 t3 z7 L) |/ `! c
12. {   
    
13.     // 结构体定义
    9 p+ p; ~$ x/ l- W
14.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;   // 生成用于定时器设置的结构体  
    0 O5 u( f) _, @2 R8 y! `
15.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // GPIO结构体
    9 k. D% v0 w. {- K; q( r' t
16.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC结构体
    
17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);   // 使能GPIO时钟
    ! I1 P4 V% Q# h4 H2 c& V7 {7 O- s
18. 
    
19.     // GPIO初始化  
      s$ l3 p' I8 m$ R$ F  R
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);  
    6 T4 F7 S' U& }; K& _8 P
25.          
    
26.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;   // 返回电平引脚  
    : R2 Z# g8 _) Y* u/ F
27.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入  
    & b' _  ^0 n6 ^9 ^( ]4 f
28.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);   
    3 D& f# b1 D, }( p0 h  K( v
29.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);      
    
30.          
    
31.     // 定时器初始化 使用基本定时器TIM2  
    5 n) @4 ?/ p' J: R' O* I
32.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);   // 使能对应RCC时钟  
    5 ^! E. G, k. p. z3 h
33.     // 配置定时器基础结构体  
    5 a. ^8 ]1 S4 G3 ?
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 )
    , n5 c* W: H6 _: W, ~' `
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  
    0 X8 |; m4 e. G) }) p2 _$ ^
37.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;   // 不分频  
    # H; L8 J' P/ ~
38.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   // TIM向上计数模式  
      r! B3 \, N, T( e2 d# n
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 y5 f" n/ }. _8 R
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  
    0 |1 q! ]( O( V+ [7 v
43. 
    8 X+ ~2 j% U3 o' P
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
    
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  
    % h& w: u9 ^0 i3 ?1 z! w6 ], J
49.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;   // 响应式中断优先级设置为0  
    : i3 S/ X7 P  f! ~3 d: n
50.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // 使能中断  
    5 Y3 f) ~* e5 f1 G
51.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
    7 g2 o8 x" R$ m, A- K8 u: {5 s
52.    
    
53.     TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);      
    
54. }

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( a0 p# {, |3 \' h, S' G' Z4.2 TIM开关程序

1. /*
   
2. *==============================================================================
   3 u. h2 h5 G- i) p2 A# Y+ a
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
   5 J+ E1 {* W- d/ a- N" g1 f9 D
4. *函数功能：打开定时器
   * v5 Z( J' |+ O5 E5 F. u' j3 e1 y
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   2 T$ y3 J0 l. v: p' y1 V) B$ E1 u& a5 r) `
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   3 I! U# E4 }" a" t/ Q
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void)   // 打开定时器  
    ; l  p! O' u1 x  F+ g' s
11. {  
    . ^, V% d5 k( j$ F# C0 `
12.     TIM_SetCounter(TIM2,0);   // 清除计数  
    
13.     gMsHcCount = 0;  
    # ?/ a9 G' V5 V; Z" ]: g
14.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 使能TIMx外设  
    6 L% u' [3 t+ Q' [' B! Y( E
15. }
    . D8 v8 B% p0 f  i- _
16. /*
    
17. *==============================================================================
    * _! A5 j( v; y
18. *函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc
    ( _; |( I' I3 \. q+ z3 s8 N. C
19. *函数功能：关闭定时器
    . L( o" W  ]( N4 B" b
20. *输入参数：无
    
21. *返回值：无
    * n) R8 Q* J; [9 B6 Q" Z/ `3 ?
22. *备  注：无
    , R5 Q% e& A( m+ R: O, d$ k
23. *==============================================================================
    $ H* t- f0 i# R5 S3 z+ B
24. */
    
25. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void)   // 关闭定时器  
    
26. {  
    2 f4 G, Y6 y2 ]: H. }
27.     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);   // 使能TIMx外设  
    
28. }  

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& G& f, V; C9 E) v' R定时器中断服务函数如下

1. /*
   
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：TIM2_IRQHandler
   + Q+ s( g, i- c( i+ E& @
4. *函数功能：定时器2中断服务程序
   , K+ Q, D8 ~: A" h
5. *输入参数：无
   2 d* ^" y: H6 ~' J' a& q( \  ^
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   7 C9 |% |0 D, M
10. void TIM2_IRQHandler (void)   // TIM2中断  
    1 y  Q! Z7 n- C8 m4 q
11. {  
    * _* z7 B  R5 }+ L; _
12.     if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)   // 检查TIM2更新中断发生与否  
    & ^$ e; O. p4 O3 b0 J; j) t" ]- o
13.     {  
    
14.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIMx更新中断标志   
    8 k& }8 w; O% X6 z3 F
15.         gMsHcCount++;  
    
16.     }  
    
17. }   

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4.3 获取定时时间
. Y% R  Z, D/ K5 B) J& T9 \& {0 W

1. /*
   
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer
   - |5 L9 [0 O" u9 X! ]' X6 Y$ w
4. *函数功能：获取定时器定时时间
   
5. *输入参数：无
   # H/ a: Z6 _- J7 D) Z. K  y' n
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   ( W7 D2 Z) |1 Q8 }0 Q  m
9. */
     K9 q' y  D- S8 w3 w2 R4 [4 m* B$ Q
10. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)  
    
11. {  
    
12.     u32 t = 0;  
    # G* ?' `3 O, X- Z
13.     t = gMsHcCount * 1000;   // 得到MS  
    / B; @- M( @9 l' r
14.     t += TIM_GetCounter(TIM2);   // 得到US  
    7 ~! k2 v- o. b; `9 K0 ^
15.     TIM2 -> CNT = 0;   // 将TIM2计数寄存器的计数值清零  
    
16.     delay_ms(50);
    - |. h; {2 P3 A, c( V4 O9 G& A
17.     return t;  
    
18. }

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* l, E$ R* z7 Y, i/ z  u% w4.4 计算测量距离

1. /*
   ' ~3 t7 q. ^$ b* t- B$ ~" q5 x! _1 m
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
   " X9 T% m2 ^7 [' Z/ }9 J3 d$ v; t+ B
4. *函数功能：获取测量距离
   
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   7 {- d3 l3 g+ W% Z3 A
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 )  
    8 Z4 `2 k, }4 ]" R) [
12. {  
    " o) ]1 P& T/ Y' P
13.     u32 t = 0;  
    8 t* @: ~* a2 ]- }% A# n/ `
14.     int i = 0;  
    
15.     float lengthTemp = 0;  
    
16.     float sum = 0;  
    " D: V& p2 s' @( I( Z/ H
17.     while(i!=5)  
    
18.     {  
    9 c  b1 y+ w% O% d# T; d6 F) r9 y
19.         TRIG_Send = 1;   // 发送口高电平输出  
    
20.         delay_us(20);
      m) {! a, c( V
21.         TRIG_Send = 0;  
    
22.         while(ECHO_Reci == 0);   // 等待接收口高电平输出  
    % _' n! G( S  D2 I" c7 K
23.         Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc();   //打开定时器  
    + ~* \6 `4 B9 y3 T/ U. m. g
24.         i = i + 1;  
    0 M+ d4 R! f& P# X5 S
25.         while(ECHO_Reci == 1);  
    / f8 |& u& }1 ~9 @+ T
26.         Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc();   // 关闭定时器  
    ; s5 l7 g/ q3 Y' {2 {8 t7 _  l
27.         t = Drv_Hcsr04_GetEchoTimer();   // 获取时间,分辨率为1us
    
28.         lengthTemp = ((float)t/58.0);   // cm  
    3 ]. S$ Q1 [7 |2 {1 w% |2 F) |
29.         sum = lengthTemp + sum ;        
    
30.         }  
    , E% K/ I  `$ s: |! }& Y5 G
31.     lengthTemp = sum/5.0;  
    % O* W- f! z4 P) f0 s$ x
32.     return lengthTemp;  
    + k* b0 x, T8 s9 m
33. }

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$ w; x8 Q6 y1 X4.5 宏定义

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
   6 I( L: p8 \* B8 `; w
4. #define HCSR04_ECHO   GPIO_Pin_9   // 定义Echo对应引脚
   . T9 y2 L7 Q1 z2 _/ I- y
5.   
   * I0 m- s8 ~. w
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
   
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

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7 \- E9 {4 }# q, S
五、应用实例
利用串口打印距离信息，main函数如下
2 B8 T* I: Q  `2 A

1. float gDistance = 0;   //定义获取返回距离变量
   9 G+ f8 `" K4 W
2. 
   $ u* ^3 }! b  |* K4 F
3. int main(void)
   
4. {
   7 n+ |: x; V# B  l
5.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
   
6.    
   
7.     while(1)
   
8.   {
   
9.         gDistance = Med_Hcsr04_GetLength();   //获取返回距离
   
10.       printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance);   //串口打印返回距离
    9 U( m1 K/ Z7 r" R, [
11.         
    
12.         delay_ms(500);   //延时500ms = 0.5s
      K5 Q9 |+ r9 }3 S2 ?1 I, _
13.     }
    ; D4 v' L  ~, ?* \
14. }

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% ^* U9 A2 n3 ^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。

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