HC-SR04超声波测距原理及实现

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm；

模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

在智能小车的测距、避障，盲人拐杖，视力保护器（坐姿矫正），倒车雷达等应用中时常使用。

工作原理

HC-SR04基本工作原理：

使用单片机的一个引脚发送一个至少10us高电平的TTL脉冲信号到模块的Trig引脚，用于触发模块工作。
模块检测到触发信号之后，会自动发送8个40khz的方波，然后自动切换至监测模式，监测是否有信号返回（超声波信号遇障碍物会返回）。
如果有信号返回，通过模块的Echo引脚会输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。
因为声音在空气中的速度为340米/秒，即可计算出所测的距离。

代码实现

通过上面的分析，我们知道，获得超声波模块测得的距离的难点就是求得Echo引脚输出脉冲的高电平持续时间。

实现步骤：

初始化Trig引脚PA2为输出模式，Echo引脚PA3为浮空输入模式；
初始化TIM4为1ms的定时器，msHcCount变量用于记录定时器中断次数。

//文件"sr04.h"中添加定义extern u32 msHcCount;
//超声波硬件接口定义#define HCSR04_PORT  GPIOA#define HCSR04_CLK       RCC_APB2Periph_GPIOA#define HCSR04_TRIG      GPIO_Pin_2#define HCSR04_ECHO      GPIO_Pin_3
#define TRIG_Send  PAout(2)#define ECHO_Reci  GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_3)
//文件"sr04.c"中void Hcsr04Init(){      TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;       GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;    RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);       GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;          GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;    GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);    GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =   HCSR04_ECHO;         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;    GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);      GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);                    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);            TIM_DeInit(TIM4);    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (1000-1);     TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =(72-1);     TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;      TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);                      TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);      TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE);        Hcsr04_NVIC();    TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);     }

测量距离，下面代码实现的是五次测量取平均值作为最终的结果。
单次距离测量的方法采用了两种实现方式：定时器方式和延时函数的方式。

定时器方式，通过定时器4计数器值计算距离

当ECHO_Reci引脚的输入电平由低变高时：即while(ECHO_Reci == 0); 循环为假时开始计时：OpenTimerForHc();

当ECHO_Reci引脚的输入电平由高变低时，即while(ECHO_Reci == 1); 循环为假时结束计时：CloseTimerForHc();

计时结束，调用GetEchoTimer(void)函数计算总耗时，单位us。

u32 GetEchoTimer(void){   u32 t = 0;   t = msHcCount*1000;   t += TIM_GetCounter(TIM4);   TIM4->CNT = 0;     delay_ms(50);   return t;}

通过定时器4计数器值计算距离的具体实现代码如下所示：

float Hcsr04GetLength(void ){   u32 t = 0;   int i = 0;   float lengthTemp = 0;   float sum = 0;   while(i<5)   {      TRIG_Send = 1;            delay_us(20);      TRIG_Send = 0;      while(ECHO_Reci == 0);            OpenTimerForHc();              i = i + 1;      while(ECHO_Reci == 1);      CloseTimerForHc();              t = GetEchoTimer();                 lengthTemp = ((float)t/58.0);           sum = lengthTemp + sum ;            }       lengthTemp = sum/5.0;    return lengthTemp;}

延时函数方式计算距离

也是取五次测量值的平均值作为结果，在计算Echo引脚输出高电平时间的时候，只要while(ECHO_Reci)为真，计时即+10us，直至高电平结束，即可获得高电平持续的总时间。

测试结果部分可以看出此方法误差较大，大家可以想想，问题出在哪里？

void HCSR04_Ranging(float *p){  u8 i=0;  u32 j=0;  float HCSR04_Temp = 0.0;    for(i=0;i<5;i++)  {    TRIG_Send=1;    delay_us(40);    TRIG_Send=0;    while(!ECHO_Reci);    while(ECHO_Reci)    {      delay_us(10);      j++;    }    HCSR04_Temp+=j*10;  //模块最大可测距4m     j=0;    delay_ms(60);//防止发射信号对回响信号的影响  }
  *p= HCSR04_Temp/5/58.0;     }

注意：文中多次使用类似while循环：while(ECHO_Reci)，其实这样做容易让单片机陷入死循环，各位可以试着想想有没有好的方式避免。

距离换算

查看手册，我们会看到，手册上说：

测量距离（cm） = 高电平持续的us数 / 58

为什么us值/58即是以cm为单位的距离值呢？

正常的换算公式为：

测试距离 = (高电平时间*声速(340m/s))/2

除以2的原因是，超声波的信号是往返的耗时等于高电平时间，我们求距离，需要除以2。

上面的测量距离单位为m，高电平时间为s，如果我们把测量距离的单位换为cm，高电平时间改为us，则上面的公式就修改为：

测量距离cm = （高电平时间us/1000000） * 340 / 2 * 100

即测量距离cm = 高电平时间us * 17 / 1000；

即测量距离cm = 高电平时间us / （1000/17）；而1000/17 ≈ 58.82

所以一般为了方便计算，距离换算就是将求得的高电平时间除以58，即得距离值，单位cm。

硬件连接

目前HC-SR04这个模块有很多版本，最好选用3.3V和5V兼容的版本。

我也拿了一个5V的老版本做了一下测试，使用3.3V供电，测量的数据不对，什么也不改变的情况下，将电源引脚供电改为5V供电，返回的数据就正常了。

如果使用5V老版本的HC-SR04模块，为了使系统能够稳定，最好选用5V耐受的IO引脚，诸如带有下面FT标识的引脚。

实际效果图

下面硬件使用的STM32核心板为我们“2020.06每月一练”的核心板，需要资料的可以后台回复“每月一练”获取。

测试结果

分别将HC-SR04放置于障碍物前30cm、20cm、10cm处各测量两次，具体数据如下所示：

通过上面我们可以看出，定时器的方式的准确度明显高于延时函数的实现方式，自己分析一下，为什么延时函数的方式误差会差这么多呢？

当然这里面的误差还包括我摆放的原因导致的误差。

资料获取

微信公众号后台回复“SR04”，可以下载超声波测距原理及实现网文对应的工程源码。

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