【特纳斯电子】超声波的测距原理分析（51单片机+HC-SR04 超声波测距）

1 超声波的简单分析

超声波传感器是一种常用的传感器，它利用超声波的特性来测量距离或探测物体的存在。超声波传感器发射超声波脉冲，并通过测量超声波的反射时间来计算距离。当超声波遇到物体时，会发生回波，并被传感器接收到。通过测量回波的时间延迟，可以确定物体与传感器之间的距离。

超声波传感器常用于测距应用，例如机器人导航、停车辅助系统、无人机避障等。它具有非接触式、高精度和快速响应的特点。超声波传感器的工作原理类似于蝙蝠利用声波来探测周围环境。

超声波传感器通常由发射器和接收器组成。发射器发出超声波信号，接收器接收回波信号。超声波传感器可以测量的范围取决于超声波的频率和传感器的设计。一般而言，超声波传感器可以测量几厘米到几米的距离范围。下面对我们使用的HC-SR04详细讲解。

HC-SR04是一种常用的超声波测距模块。它由超声波发射器和接收器组成，可以测量物体与模块之间的距离。以下是HC-SR04模块的详细介绍：

1. 工作原理：HC-SR04通过发射超声波脉冲并计时接收到的回波时间来确定距离。它利用超声波在空气中的传播速度（约为343米/秒）来计算物体与传感器之间的距离。
2. 组成部分：
   • 发射器（Transmitter）：发射超声波脉冲。
   • 接收器（Receiver）：接收从物体反射回来的超声波信号。
   • 控制电路：控制发射和接收的时序。
3. 使用方法：
   • 发射器发射超声波脉冲，脉冲经过空气传播到目标物体上。
   • 如果有物体存在，超声波脉冲将被物体表面反射，并由接收器接收。
   • 接收器将接收到的回波转换成电信号，并传递给控制电路进行处理。
   • 控制电路计算回波时间，然后根据回波时间和超声波传播速度计算出物体与模块之间的距离。
4. 技术参数：
   • 工作电压：一般为5V直流电源。
   • 工作频率：一般为40kHz。
   • 测量范围：2厘米到400厘米。
   • 测量精度：约为3毫米。
5. 应用领域：HC-SR04模块在许多物联网和机器人项目中被广泛使用，包括但不限于以下应用：
   • 避障：通过测量与障碍物的距离，实现避障功能。
   • 测距：用于测量物体与传感器之间的距离。
   • 位置检测：通过距离的变化来确定物体的位置。
   • 自动驾驶：在自动驾驶车辆中用于障碍物检测和定位等。

2 超声波测距的驱动

2.1 模块介绍

超声波测距模块是根据超声波遇障碍反射的原理进行测距的，能够发送超声波、接收超声波并通过处理，输出一段和发送与接收间隔时间相同的高电平信号，是常用的测距模块之一。HC-SR04是最常用的超声波测距模块之一，HC-SR04超声波模块可提供2cm~400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，工作电压为5V；内部模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。如下为实物与对应端口：

• Vcc：+5V电源供电；
• Trig：输入触发信号（可以触发测距）；
• Echo：传出信号回响（可以传回时间差）；
• GND：接地。

2.2 基本工作原理

（1）采用I/O口连接Trig触发测距，给最少10us的高电平后即可发送超声波；

（2）模块自动发送8个40kHz的方波，并自动检测是否有信号返回；

（3）若有信号返回，经内部电路处理后，通过Echo到I/O口输入一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；

（4）测试距离=（高电平时间*音速）/2；音速=340m/s=0.034cm/us。

2.3 时序图

以上时序图表明你只需要向模块提供一个10us以上的脉冲触发信号，然后该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号，模块就向I/O口输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过回响信号的高电平时间计算得到距离。建议先将单位转换为cm/us，便于数据显示；测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

• 此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作；
• 测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则会影响测量的结果。

3 获取测距数据

​ 先将端口初始化（置0），再通过Trig输入一个12us的高电平作为触发信号，最后接收回响信号，回响信号高电平的时间通过定时器0测量——当Echo为1时开始计时，Echo为0时结束计时，不需要打开中断。得到时间后根据公式： 测试距离=（高电平时间*音速）/2；音速=340m/s=0.034cm/us，计算出实际距离。

首先初始化定时器0

/*********************************************************
函数功能：T0定时器初始化
传入值：无
返回值：无
*********************************************************/
void Time0_Init(void)
{TMOD|=0x01;	//设T0为方式1，GATE=1；TH0=0;TL0=0;          ET0=1;           //允许T0中断EA=1;		//开启总中断		
}

然后撰写超声波获取的距离程序，如下所示。

/*********************************************************
函数功能：计算测到的距离
传入值：当前的环境温度
返回值：测得的距离(距离单位cm)
*********************************************************/
uint Hcsr04_GetDistance(uint Hcsr04_temp)
{uint distance;			// 用于记录测得的距离float gSpeed;			// 保存超声波的速度值// 根据公式 v=0.607T+331.4 计算出当前温度值对应的超声波速度，这时的单位是“米/秒” gSpeed = 0.607*Hcsr04_temp+331.4;	// 将超声波的速度从单位“m/s”转为“cm/us”，方便后面的计算	gSpeed = gSpeed/10000;		TH0 = 0;	 TL0 = 0;HCSR04_Trig = 1;		// 给超声波模块一个开始脉冲Hcsr04_DelayMs(1);HCSR04_Trig = 0;TR0 = 1;while(!HCSR04_Echo)	// 等待超声波模块的返回脉冲{if(TH0*256+TL0 >= 50000)	//防止超声波卡死break;}TH0 = TL0 = 0;			//计时清零TR0 = 1;			// 启动定时器，开始计时while(HCSR04_Echo)		// 等待超声波模块的返回脉冲结束{if(TH0*256+TL0 >= 50000)	//防止超声波卡死break;}TR0 = 0;		// 停止定时器，停止计时distance=((TH0*256+TL0)*gSpeed)/2;	// 距离cm=（时间us * 速度cm/us）/2if(distance > 500)		// 把检测结果限制500厘米内distance = 500;return distance;
}