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手把手教你玩转超声波传感器（原理+驱动）
我们都知道声音是由物体振动产生的，人能听到的频率在20Hz~20kHz。频率小于20Hz的叫次声波，频率大于20kHz的叫超声波。
超声波可以在空气、液体和固体中传播，可以被物体反射、折射、散射等，并且有频率高、波长短、绕射现象小、方向性好等特点。从而提供了丰富的用途，医学影像、清洁物品、材料检测、非接触测距等等。
本次我们要讲的超声波传感器就是非接触测距，用于测量物体与传感器之间的距离，可用于车辆安全（倒车雷达），安防系统（检测到移动物体并触发警报），工业自动化（物体定位、检测和避障）等等。
1. 源码下载及前置阅读
- STM32F103C8T6模板工程
链接：https://pan.baidu.com/s/1n7XHCaMYtASWdJH2uA5yDA?pwd=lw59 提取码：lw59
- 本文的源码
链接：https://pan.baidu.com/s/1VmBE0NfZgBJR4ouXIu7t8Q?pwd=4hry 提取码：4hry
如果你是嵌入式开发小白，那么建议你先读读下面几篇文章。
往期教程，有兴趣的小伙伴可以看看。
2. HC-SR04介绍
超声波传感器有很多的信号：HC-SR04、UC-025、UC-026、UC-015、US-100等等，它们之间大同小异，无非是工作参数有点不一样，像是工作的电压或温度、探测距离或精度有点差别，引脚是一样的，都是4个引脚（US-100 多一个 GND 引脚），引脚顺序和功能也是一样的。
大家在学习和工作中可以自行选择合适的型号，这里我为大家介绍最常见的 HC-SR04 这个型号。
2.1 HC-SR04型号介绍
现在市面上的 HC- SR04 有新版和旧版，我们介绍的是新版。新版性能比老版的精度更高，测距范围更远，可达6米，高于一般超声波测距模块。采用 CS-100A 超声波测距 SOC 芯片，高性能，工业级，宽电压，价格在4块钱左右。
2.2 HC-SR04工作参数及引脚介绍
HC-SR04 工作参数：
- 探测距离：2~600cm
- 探测精度：0.1cm±1%
- 感应角度：<15°
- 输出方式：GPIO
- 工作电压：DC 3~5.5V
- 工作电流：5.3mA
- 工作温度：-40~85℃
接线如下：
| HC-SR04 | STM32 | 备注 |
|---|---|---|
| VCC | 3.3/5V | 外接直流电源 |
| Trig | 任意一个GPIO口 | 输入端 |
| Echo | 任意一个GPIO口 | 输出端 |
| GND | GND | 接地 |
3. HC-SR04工作原理
3.1 原理简述
超声波测距的工作原理其实很简单，传感器发送超声波，超声波碰到障碍物反弹回来，被传感器接收到。芯片算出发送和接收的时间间隔，再利用公式：s = v × t，看下面示意图，所以实际距离 = 测量距离 / 2 = 速度 × 时间 / 2。
顺便一提，超声波在空气中的传播速度大概是 343m/s，传播速度受到环境条件的影响，如温度、湿度和气压等。
超声波模块上的两个超声波探头，一个是发送端，负责发送超声波；一个是接收端，负责接收超声波。
3.2 原理详述
接下来我们详细的介绍下超声波模块的工作时序，明白了时序以后才知道怎么写代码。
- 正常测距时序图：
- 单片机给超声波模块发送大于 10us 的高电平的触发信号；
- 超声波模块收到触发信号后 Trig 端发送 8个40kHz 的超声波脉冲；
- Echo 端由低电平转为高电平，同时开始发送超声波；
- 超声波模块检测到返回信号，Echo 端由高电平转为低电平；
- Echo 端高电平宽度即为超声波传播时间。
如果觉得太生涩了，我给大家准备了趣味描述：
- 超出测距范围时序图：
当测量距离超过 HC-SR04 的测量范围时，Echo 任会输出高电平，宽度约为66ms，后转为低电平。
4. 编程实战
4.1 硬件接线
本教程使用的硬件如下：
单片机：STM32F103C8T6
超声波传感器：HC-SR04
串口：USB 转 TTL
烧录器：ST-LINK V2
| HC-SR04 | STM32 | USB 转 TTL |
|---|---|---|
| VCC | 3.3/5V | |
| Trig | B6 | |
| Echo | B7 | |
| GND | G | |
| A10 | TX | |
| A9 | RX | |
| G | GND |
烧录的时候接线如下表，如果不会烧录的话可以看我之前的文章【STM32下载程序的五种方法】。
| ST-Link V2 | STM32 |
|---|---|
| SWCLK | SWCLK |
| SWDIO | SWDIO |
| GND | GND |
| 3.3V | 3V3 |
接好如下图：
4.2 初始化引脚
我们将 Trig 引脚设置为推挽式输出，Echo 引脚设置为浮空输入。为什么这样设置呢？大家可以对照下表的 GPIO 的八种工作模式看看。
| 模式名称 | 性质 | 特征 |
|---|---|---|
| 浮空输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，若引脚悬空，则电平不确定 |
| 上拉输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，内部连接上拉电阻，悬空时默认高电平 |
| 下拉输入 | 数字输入 | 可读取引脚电平，内部连接下拉电阻，悬空时默认低电平 |
| 模拟输入 | 模拟输入 | GPIO 无效，引脚直接接入内部 ADC |
| 开漏输出 | 数字输入 | 可输出引脚电平，高电平为高阻态，低电平接 VSS |
| 推挽输出 | 数字输入 | 可输出引脚电平，高电平接 VDD，低电平接 VSS |
| 复用开漏输出 | 数字输入 | 由片上外设控制，高电平为高阻态，低电平接VSS |
| 复用推挽输出 | 数字输入 | 由片上外设控制，高电平接VDD，低电平接VSS |
引脚初始化代码如下：
c
void HCSR04_GPIO_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
Trig_GPIO_CLK_ENABLE(); /* Trig引脚使能 */
Echo_GPIO_CLK_ENABLE(); /* Echo引脚使能 */
/* Trig低电平 */
HAL_GPIO_WritePin(Trig_GPIO_PORT, Trig_GPIO_PIN, GPIO_PIN_RESET);
GPIO_InitStruct.Pin = Trig_GPIO_PIN; /* Trig引脚 */
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP; /* 推挽输出 */
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 浮空 */
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW; /* 低速 */
HAL_GPIO_Init(Trig_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); /* 初始化Trig引脚 */
GPIO_InitStruct.Pin = Echo_GPIO_PIN; /* Echo引脚 */
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT; /* 输入 */
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL; /* 浮空 */
HAL_GPIO_Init(Echo_GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct); /* 初始化Echo引脚 */
}4.3 初始化定时器
需要初始化一个定时器，用于测量 Echo 高电平宽度，这里我们初始化了通用定时器2。
c
void TIM2_Init(void)
{
TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0}; /* 定时器设置结构体 */
TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};
htim2.Instance = TIM2; /* 通用定时器2 */
htim2.Init.Prescaler = 71; /* 预分频系数 */
htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP; /* 递增计数模式 */
htim2.Init.Period = 65535; /* 自动装载值 */
htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig);
sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig);
}4.4 测量距离
按照超声波的工作时序，
- 单片机给超声波模块发送大于 10us 的高电平的触发信号；
- Trig 的 8个40kHz 的超声波脉冲，不用管，我们不需要；
- Echo 端由低电平转为高电平，开启定时器；
- 超声波模块检测到返回信号，Echo 端由高电平转为低电平，关闭定时器；
- 得到超声波来回的总距离，进行计算，得到实际测量距离。
c
void HCSR04_Get_Length (void)
{
int total_time=0; //超声波来回的总时间
float distance=0; //实际测量距离
HCSR04_GPIO_init();
HAL_GPIO_WritePin(Trig_GPIO_PORT,Trig_GPIO_PIN,GPIO_PIN_SET); //拉高
__HAL_TIM_SetCounter(&htim2, 0); //定时器归零
delay_us(15);
HAL_GPIO_WritePin(Trig_GPIO_PORT,Trig_GPIO_PIN,GPIO_PIN_RESET); //拉低
while(HAL_GPIO_ReadPin(Echo_GPIO_PORT,Echo_GPIO_PIN)==GPIO_PIN_RESET); //Echo转到高电平
HAL_TIM_Base_Start(&htim2); //启动定时器
while(HAL_GPIO_ReadPin(Echo_GPIO_PORT,Echo_GPIO_PIN)==GPIO_PIN_SET); //Echo转回低电平
HAL_TIM_Base_Stop(&htim2); //停止定时器
total_time = __HAL_TIM_GetCounter(&htim2); //得到高电平持续时间
distance = total_time * 0.01715; // //算出测量距离（343*0.000001*100/2 = 0.01715）
printf("dis : %.2f cm\r\n",distance);
}有的同学可能会好奇，这个“ * 0.01715 ”是什么，因为
实际距离 = 测量距离 / 2
= 速度 × 总时间 / 2。
= 343（m/s） * total_time（us）/ 2
= 343（m/s） * total_time（us） * 0.000001（1s=1000000） * 100（1m=100cm）/2
= 343 * 0.000001 * 100 / 2
= 0.01715
所以我们就直接写 0.01715 啦，减轻一点计算负担，虽然本身也没多少。
.h文件内容如下：
c
#ifndef __HCSR04_H__
#define __HCSR04_H__
#include "stdio.h"
#include "stm32f1xx.h"
/* 引脚定义 */
#define Trig_GPIO_PORT GPIOB
#define Trig_GPIO_PIN GPIO_PIN_6
#define Trig_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PB口时钟使能 */
#define Echo_GPIO_PORT GPIOB
#define Echo_GPIO_PIN GPIO_PIN_7
#define Echo_GPIO_CLK_ENABLE() do{ __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE(); }while(0) /* PB口时钟使能 */
void HCSR04_GPIO_init(void);
void TIM2_Init(void);
void HCSR04_Get_Length (void);
#endif4.5 最终效果
串口输出如下，这是我用本子在超声波前来回移动的数据。记得给板子上电哦，光 STLink 供电可不够。
5. 小结
通过本文的学习与实践，相信大家已经了解并掌握 HC-SR04 的特性和使用，能够更好地应用于嵌入式开发。希望 HC-SR04 可以成为您的得力助手，让我们一起玩转 HC-SR04，peace and love！