HC-SR04超声波测距原理及实现-电源网

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);     
}

2.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;     
}