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。
( O! K8 O5 O  {% e0 K2 E# i
' [2 p2 u4 {0 i7 C: z8 c( R6 e2 a  p" g距离的计算公：:d=s/2=(c*t)/2
) ?" M( \% w: a
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。
6 `" Y% i  Y  C/ c, o/ N$ e
% z. n+ f2 p3 {; O$ Z5 t1 Z' {" y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
) l" [' ^1 C2 w

& z2 y% d1 w* X

不同温度下超声波声速表

( P7 S+ |' t% m, `1 k9 R
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。
4 g7 a1 z' ~3 N( A
! L- w+ Y  c3 ^3 p, D" |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。


0 }6 ~1 }) ]- g# g7 k  W二、超声波传感器简介
# m+ n3 v' O; A& q" }; f* W+ f' g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。
7 A% V' P0 E) |0 B
' A8 T  v0 V& d! 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。

  F% `) \* o- b  ?

HC-SR04

6 j1 B$ i4 l4 W0 b9 S

0 I( D, N8 c$ O: k% w9 g9 A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。
• 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
# L  I8 \( t! j$ g, \3 h, N• 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。
' o+ D( w( }8 f. T7 L
3 A# z. ]! }7 s7 C$ Y2 n( O& Y
% I+ Y' n' I- _( ~8 \: O$ |3 o9 D四、超声波测距程序实现
4.1 HC-SR04初始化程序
% x, T- I  j& x' t- sHC-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. /*
   / J6 ?1 F: K5 y* K7 s
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_Init
   
4. *函数功能：初始化HC-SR04
   
5. *输入参数：无
   
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. *==============================================================================
   
10. */
    
11. void Drv_Hcsr04_Init (void)   // Hc-sr04初始化
    
12. {   
    0 q, q3 X% P( N- E' g
13.     // 结构体定义
    
14.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;   // 生成用于定时器设置的结构体  
    ! A% w8 P8 _2 W  Y- J
15.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // GPIO结构体
    ) Z# g! K+ s6 Q/ O
16.     NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC结构体
    . `+ g/ p- t' F& x
17.     RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);   // 使能GPIO时钟
    
18. 
    8 D9 ~( m8 N: x/ w& y: c* b
19.     // GPIO初始化  
    
20.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;   // 发送电平引脚  
    
21.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
    # s4 r0 Q1 }* L* @4 P8 b3 r' r
22.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   // 推挽式输出  
    2 c- C$ t$ i( d$ _# N; o
23.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
    
24.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);  
    3 m# i% M/ s/ K# f
25.          
    & B/ u+ D/ ~- i2 \8 N
26.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;   // 返回电平引脚  
    9 S3 `  v" [2 @: [/ H
27.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入  
    5 A+ W' W9 z0 u, N( h- U* f+ p5 J! a
28.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);   
    $ i4 _2 T' Y: u$ I
29.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);      
    
30.          
    % ]& J' U4 [7 V3 g6 M4 A- [
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  
    , C+ e3 C9 w/ _- L) Y
33.     // 配置定时器基础结构体  
    % Z1 Z- z* a, `# e
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  
    - Z# ~( Y3 f, \+ j, ?) B* F6 N
37.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;   // 不分频  
    $ r6 U, l# f1 [/ [6 m
38.     TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   // TIM向上计数模式  
    $ ?0 {* \1 S' B  T) |" J3 t
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.                
    7 x! ^' V- i5 a' y7 _2 W
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  
      E) @1 ^7 [4 X
42.     TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);   // 打开定时器更新中断  
    3 O. t, {. K4 Z
43. 
    ' f8 x( Q2 h1 I. L
44.     // NVIC配置      
    : n9 C2 B% U% E7 W/ 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
    : g1 O5 O- Q) C* C6 ^( G8 a; }
46.         
    , H! f. j, x* o: n  @' {- j
47.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =TIM2_IRQn;   // 选择定时器2中断  
    4 j( N% Q$ I, {. u: ]  E
48.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;   // 抢占式中断优先级设置为0  
    # W3 |  j, h1 a$ S% _4 o% @8 ]0 R
49.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;   // 响应式中断优先级设置为0  
    
50.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // 使能中断  
    
51.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
    ! x$ b  P. S" s  @
52.    
    / m& X8 V+ H8 t8 `3 J: ^5 Z, m$ r
53.     TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);      
      o- W5 p% m$ }* }, \1 _
54. }

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4.2 TIM开关程序

1. /*
   
2. *==============================================================================
   / K- G2 T2 F; t) |7 T3 D
3. *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
   
4. *函数功能：打开定时器
   2 P* q' ]# s* s! l5 U) g
5. *输入参数：无
   # X1 I9 y5 Q6 b' {/ E
6. *返回值：无
   " I, S/ `- m1 U$ K( X6 R2 S/ _1 U
7. *备  注：无
   . }" m9 Z# F; f( o0 D
8. *==============================================================================
   # e4 Q0 j) O; N- Z1 ]8 s! O0 S: \
9. */
   - z' Z1 }+ u6 y$ q& q$ i
10. void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void)   // 打开定时器  
    
11. {  
    
12.     TIM_SetCounter(TIM2,0);   // 清除计数  
    
13.     gMsHcCount = 0;  
    ( @4 {1 A) v7 C1 T
14.     TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 使能TIMx外设  
    
15. }
    + M+ V, Y. H) d
16. /*
      w0 {: h: f6 l: S
17. *==============================================================================
    
18. *函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc
    ) _! e4 @6 o! F
19. *函数功能：关闭定时器
    0 B+ U' K. g" i
20. *输入参数：无
    
21. *返回值：无
    7 D& d( d" W- \5 ?- V" m) j
22. *备  注：无
      P8 B9 Y8 w3 \2 M' @6 H8 a
23. *==============================================================================
    " s3 }5 M7 m; F7 d+ E% C! A5 }
24. */
    
25. void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void)   // 关闭定时器  
    1 T- c4 Z" E* t0 q$ e
26. {  
    
27.     TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);   // 使能TIMx外设  
    4 G5 y5 x1 }5 {' J
28. }  

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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
   
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   1 @" o( Z5 O  Y5 b9 _; q
7. *备  注：无
   7 `  K# C8 n2 {7 }
8. *==============================================================================
   : @6 p$ \) _# K+ y0 A
9. */
   4 D4 c& A# U  k6 E4 x: ?& p
10. void TIM2_IRQHandler (void)   // TIM2中断  
    8 u$ S) V: H2 J* H3 ]
11. {  
    
12.     if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)   // 检查TIM2更新中断发生与否  
    : b7 s6 W- X9 f+ c3 u! A* R; g- b
13.     {  
    3 `0 S5 [) q2 ?8 `8 e) v
14.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIMx更新中断标志   
    6 R4 B4 j( T" Y
15.         gMsHcCount++;  
    * E+ g: W0 v' [1 Z8 \
16.     }  
    
17. }   

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" T/ ~) U) L) M3 i4 a$ {; K4.3 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 P. f; [" F' p' Y
5. *输入参数：无
   8 m# Q* g& h  z3 b( p# F
6. *返回值：无
   
7. *备  注：无
   
8. *==============================================================================
   
9. */
   
10. u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)  
    
11. {  
    # `5 g1 C) V$ M" p" D  J( ]
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  
    % x7 }& h1 u2 M, k5 y
16.     delay_ms(50);
    0 {4 {4 }% @" |8 @' a0 Q& y5 L# o
17.     return t;  
    9 e' w8 a' g0 \2 ?# v1 |
18. }

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4.4 计算测量距离
: ]. Z) A& I! ?7 M% x9 z0 h5 n

1. /*
   1 W9 n0 _& Z3 ~6 X  B- ^: R9 J6 t
2. *==============================================================================
   
3. *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
   7 T; A2 f0 Z- f5 d( M' A
4. *函数功能：获取测量距离
   
5. *输入参数：无
   
6. *返回值：无
   
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
   4 K/ x5 R! h' H1 ^. u
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
   6 a- B  o, ?. [* i
9. *==============================================================================
   
10. */
    
11. float Med_Hcsr04_GetLength (void )  
    ) @5 m5 r  s& ?6 \
12. {  
      e9 V( Q+ X" K) V
13.     u32 t = 0;  
    ; T/ }/ o5 ~. ^
14.     int i = 0;  
    - k. u6 k5 X3 G
15.     float lengthTemp = 0;  
    * C- S9 ]: W9 Y( v* j
16.     float sum = 0;  
    
17.     while(i!=5)  
    
18.     {  
    
19.         TRIG_Send = 1;   // 发送口高电平输出  
    
20.         delay_us(20);
    0 P; K, a- L8 Y0 t
21.         TRIG_Send = 0;  
    
22.         while(ECHO_Reci == 0);   // 等待接收口高电平输出  
    - a* X1 o+ ~: \2 K& ~/ {
23.         Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc();   //打开定时器  
    
24.         i = i + 1;  
    ! S8 m7 d% X: }' G5 ^- J* G& R$ H
25.         while(ECHO_Reci == 1);  
    
26.         Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc();   // 关闭定时器  
    9 x1 F$ R" B: B1 N
27.         t = Drv_Hcsr04_GetEchoTimer();   // 获取时间,分辨率为1us
    
28.         lengthTemp = ((float)t/58.0);   // cm  
    / `" p5 l9 P4 c2 Q
29.         sum = lengthTemp + sum ;        
    % U6 H8 Q3 @/ m, \$ [; z1 q; c
30.         }  
    & b2 A" ^% f" h8 ?
31.     lengthTemp = sum/5.0;  
    - z" f  U0 W! \* d8 I7 K
32.     return lengthTemp;  
    4 }7 z. `9 s! A7 |$ v# }/ E
33. }

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4.5 宏定义

1. #define HCSR04_PORT   GPIOB   // 定义IO口
     X6 t5 j  N% }% L# E
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
     |' _2 `5 ?& q3 ?( h! |
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
   $ }8 P+ Q1 |& w# i4 W8 n) ?
7. #define ECHO_Reci  PBin(9)   // 将ECHO_Reci映射到PB9
   
8. 
   4 i+ w/ e/ j+ F- T6 X7 D( g
9. void Drv_Hcsr04_Init(void);   // Hc-sr04初始化
   / g' J+ \2 X5 J2 B, H4 _
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

7 E( U- l- j8 Y; o7 W3 D
: k3 a* F' |% c! @; K1 w& v五、应用实例
9 u2 H; U- m+ s( j5 i6 Y/ ?$ |利用串口打印距离信息，main函数如下
7 B- ]! t0 X" m4 @6 B

1. float gDistance = 0;   //定义获取返回距离变量
   
2. 
   
3. int main(void)
   * S& [: y& v# ?( D0 {1 E9 o3 q. d
4. {
   5 O: y8 Q) v$ p' [; J  [
5.     Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
   ' ?. y& ^& V( C
6.    
   
7.     while(1)
   7 @4 @  j5 T- ^% u  K  U
8.   {
   3 x9 i1 P; D  h( W5 \! k
9.         gDistance = Med_Hcsr04_GetLength();   //获取返回距离
   . j/ w: B* @6 L2 E' V0 q
10.       printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance);   //串口打印返回距离
    ! N2 i- ^& P! f* E# ?0 k2 J8 n* {
11.         
    - E2 V9 P$ E& d
12.         delay_ms(500);   //延时500ms = 0.5s
    ) h1 m( f( f. L  O6 J
13.     }
    
14. }

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六、拓展应用
5 r% E  }; I4 t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。
% p! [6 N/ ?" K: N
, a0 `$ N$ A  _! f4 S, X转载自：二土电子
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: N/ w3 J( ]- z7 Q  b7 X