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。
' Z7 d6 \: }! ?/ G
距离的计算公：:d=s/2=(c*t)/2
5 ]7 n3 x+ E  n5 r
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。
0 I2 ~: p: B) H  t4 O; i
: S- j$ p, k; F/ s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
3 ?' D1 E7 r! t4 X+ F1 K( @

# w' g+ W$ _1 S8 H) o

不同温度下超声波声速表

/ Z' Y8 e5 p( \4 u8 g( q  {
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
  c+ W6 x$ h0 {4 X' _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。

5 x8 K% U- d% Y/ E2. 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。

4 Y: s9 Q5 x3 I3. 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。
& e: d- \! S3 Z2 c  A/ B
2 D, |5 b$ V' `5 |  q6 R- c+ Q
. B1 C+ h/ b: V/ u# K; ~4 Q0 ?( W( g二、超声波传感器简介
. H  _+ b1 O% c# a% r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。
2 y) Y; ]3 T. e  J6 U& g7 N
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。

! C" k4 Y7 t# Y5 S' r' ]

HC-SR04

三、HC-SR04测距实现思路
& n, _0 N( F( D1 U, ^) D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
4 ?3 Q8 h7 ~/ _• 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。

% ^/ w0 J; M$ C% H% u
四、超声波测距程序实现
* L4 A+ M: L9 p1 I4.1 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。
7 H; h% d4 l$ L, u* U" S2 L

1. /*
   
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_Init
   4 m7 _, g2 t( _2 x, @8 |
4. *函数功能：初始化HC-SR04
   $ `9 Y  S- a# }# h" n; L2 o
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   3 N9 p9 U- m- ?
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
   , n, u4 N! s2 K# e6 V6 n
9. *==============================================================================
   
10. */
    1 i' ~( W+ `! k5 }! U) g9 G# S
11. void Drv_Hcsr04_Init (void)   // Hc-sr04初始化
    
12. {   
    6 b! r* W( [. b1 D8 i4 G
13.     // 结构体定义
    $ {6 t$ ]) E, v1 i2 \* j; q* J' o
14.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;   // 生成用于定时器设置的结构体  
    8 e4 s( }$ t  X. b8 z( d
15.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // GPIO结构体
    % f! Q  b5 _2 M4 L! o
16.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC结构体
    
17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);   // 使能GPIO时钟
    4 v2 q' @2 {" r- B& h
18. 
    
19.     // GPIO初始化  
    % t! Q* d  J" ~& k
20.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;   // 发送电平引脚  
    6 @7 j6 Y. ^* m/ h# |) a  X4 W
21.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
    % C& d+ M' q% V6 p" U
22.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   // 推挽式输出  
    
23.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
    2 C4 @$ H  j2 W' q; q2 B
24.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);  
    $ ]/ S) e& Y! N
25.          
    
26.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;   // 返回电平引脚  
    " w& @( f. {6 E% `- G
27.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入  
    " {7 |& O3 e' @
28.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);   
    
29.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);      
    + O! ?2 o0 q5 l
30.          
    
31.     // 定时器初始化 使用基本定时器TIM2  
    $ C2 X- E2 @4 \! t# G9 [
32.     RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);   // 使能对应RCC时钟  
    8 O5 M/ Q  ]6 n. _0 _; d( t9 {
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  
      r! ]3 R; K, [$ q
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.                
    & y. X  L# ~6 M5 b- z
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  
    # z( N* g8 Z3 G# e: x, L1 V8 [1 b
42.     TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);   // 打开定时器更新中断  
    " U8 B& Z/ M! ]! j# K5 S8 }' j3 ?
43. 
    
44.     // NVIC配置      
    : Y: a0 l: n; p
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 l  |' r9 \/ G* Q* o
46.         
    % z6 i% f& f. V' x5 f, X
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  
    8 e4 F- m$ _! r$ n- Q
49.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;   // 响应式中断优先级设置为0  
    4 }' R; z" t6 i- T9 O9 A- a/ h
50.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // 使能中断  
    
51.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
    
52.    
    0 ~3 `2 {! f: g
53.     TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);      
    $ Y- e" t% v1 I; \
54. }

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' s! d' [. i+ D7 X1 D+ H* v, }4.2 TIM开关程序
1 @! F5 Y; h7 A. c

1. /*
   & y' G* f; F+ M
2. *==============================================================================
   5 [  B0 i. E; B; Y/ g
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
   . Z" Y; e; {% f; p: [
4. *函数功能：打开定时器
   
5. *输入参数：无
   " v4 g6 s8 d% L
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   ) B$ Z; U; y, F3 A# o# G& j5 |% A
9. */
   
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void)   // 打开定时器  
    
11. {  
    * O8 d* ~' v+ S$ F9 Y  j
12.     TIM_SetCounter(TIM2,0);   // 清除计数  
    ! _6 n4 S$ g7 h
13.     gMsHcCount = 0;  
    ! q/ }. ~9 O( v, C
14.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 使能TIMx外设  
    + u; X& }' R" Q& [' ^
15. }
    . Y$ u1 A  s: M9 W6 H' A* f' f
16. /*
    
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
    ; }/ ~6 A4 M7 a' k
21. *返回值：无
    
22. *备  注：无
    0 U, o8 T7 t7 ?' _( X+ t, B, B
23. *==============================================================================
    
24. */
    . d7 Q- Q9 z5 t0 s8 v9 B1 e
25. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void)   // 关闭定时器  
    6 ]7 K1 b+ l( p! N: B
26. {  
    
27.     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);   // 使能TIMx外设  
    
28. }  

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+ o+ J2 l) G& i定时器中断服务函数如下

1. /*
   " h1 T7 o, A1 b8 Y7 f$ Q
2. *==============================================================================
   0 O: K  }; D, C  {, j3 ]3 I( \
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
   2 f! [: c( {1 J
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   9 m6 V5 m3 T. B5 v
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  
    
13.     {  
    5 ]! m! W+ R' F9 b) l
14.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIMx更新中断标志   
    
15.         gMsHcCount++;  
    
16.     }  
    ! V0 U5 z: U5 s5 _% q5 |- z$ b
17. }   

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+ G7 Y6 O8 a" B5 L0 ?% l( n4.3 获取定时时间

1. /*
   
2. *==============================================================================
   2 I8 L4 y8 E0 s3 r  t4 M: T
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer
   
4. *函数功能：获取定时器定时时间
   ; U/ g( V' U7 T9 V
5. *输入参数：无
   8 g, G% j$ N' j' {" S% O/ m& J
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   
10. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)  
    ) \. r7 ?7 W1 O! M/ F% v% Q
11. {  
    7 v5 ]' {# @# e4 X* P6 H
12.     u32 t = 0;  
    
13.     t = gMsHcCount * 1000;   // 得到MS  
    0 }3 w& ~% A! U' N
14.     t += TIM_GetCounter(TIM2);   // 得到US  
    2 W( q7 s0 e  T5 y: M1 r& C8 u9 ~
15.     TIM2 -> CNT = 0;   // 将TIM2计数寄存器的计数值清零  
    $ Q8 ]) W# y8 I1 F: s  d
16.     delay_ms(50);
    " L6 U5 y0 E; ]$ a3 b! }% }. v
17.     return t;  
    
18. }

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5 b7 u  l# \  _: n$ A& G" G4.4 计算测量距离
: [- [2 }  r. v

1. /*
   ; F# s/ v4 a7 @
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
   6 r3 ^; @3 ?1 g, z9 Z+ q
4. *函数功能：获取测量距离
   ; t2 ^& f& B$ X" l( e" R
5. *输入参数：无
   # g, t7 ]+ b3 v3 Y8 Z
6. *返回值：无
   " ^! |! b6 Z9 V5 i7 N  \, w, m
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
   1 W, T3 I; N) H" i, w
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
   - M* ]) D1 l. ?0 T
9. *==============================================================================
   
10. */
    7 @+ ^# m- w3 P. Z
11. float Med_Hcsr04_GetLength (void )  
    
12. {  
    
13.     u32 t = 0;  
    
14.     int i = 0;  
    
15.     float lengthTemp = 0;  
    # c! r5 C8 h$ {8 g* J
16.     float sum = 0;  
    
17.     while(i!=5)  
    8 _% m) _! w$ J3 Y' K! w! z* W
18.     {  
    ; h3 `% r5 w' q/ R1 E/ r
19.         TRIG_Send = 1;   // 发送口高电平输出  
    
20.         delay_us(20);
    - ?0 w1 b4 r6 J# n/ B9 `
21.         TRIG_Send = 0;  
    , {* A6 j: d& j
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);  
    3 i/ M3 ^5 x0 T8 n: g
26.         Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc();   // 关闭定时器  
    1 h2 _# U3 p& W. U2 d
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 ;        
    
30.         }  
    
31.     lengthTemp = sum/5.0;  
    
32.     return lengthTemp;  
    
33. }

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4.5 宏定义
- g& l- h, a) m# L

1. #define HCSR04_PORT   GPIOB   // 定义IO口
   
2. #define HCSR04_CLK    RCC_APB2Periph_GPIOB   // 开启GPIO时钟  
   0 i1 |- z  d' n) z7 D
3. #define HCSR04_TRIG   GPIO_Pin_8   // 定义Trig对应引脚
   ; F2 r% X* N# g- H
4. #define HCSR04_ECHO   GPIO_Pin_9   // 定义Echo对应引脚
   
5.   
   ) H- ~! W; G; x9 R3 _% ^+ p
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. 
   $ B% W' ~- N2 B/ e
9. void Drv_Hcsr04_Init(void);   // Hc-sr04初始化
   & I* y4 u* O! P# J& y) q; _$ O
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void);   //打开定时器
    
11. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void);   //关闭定时器
    6 J9 c0 z. r. P/ K8 [; Q9 E5 ~
12. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer(void);   // 获取定时器时间

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五、应用实例
3 y2 B$ I  ?, p5 z  G0 A利用串口打印距离信息，main函数如下
* I, M2 i7 w6 h' Y2 H9 U

1. float gDistance = 0;   //定义获取返回距离变量
   2 C( Z: r, v& |' A
2. 
   
3. int main(void)
   
4. {
   ; K# i. \1 y" Y- v" B& W
5.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
   3 A5 X# L* X3 Q
6.    
   
7.     while(1)
   
8.   {
   
9.         gDistance = Med_Hcsr04_GetLength();   //获取返回距离
   ; E" \9 t1 S$ g+ x
10.       printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance);   //串口打印返回距离
    8 Q3 w' M) p  b+ D6 Q
11.         
    + F( Z+ A6 j: q3 ]1 h1 j
12.         delay_ms(500);   //延时500ms = 0.5s
    
13.     }
    , L* G0 }# U5 N
14. }

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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。
" e  h1 y6 ^' \2 N2 b
转载自：二土电子
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& G7 X* b( w3 @0 P
0 X. Q1 H0 R7 d! S% g* X$ H