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🎀 文章作者：二土电子
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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。
距离的计算公：:d=s/2=(c*t)/2
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。
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
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
- 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。
- 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。
- 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。
二、超声波传感器简介
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。
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。
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
- 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。
四、超声波测距程序实现
4.1 HC-SR04初始化程序
HC-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。
/* *============================================================================== *函数名称：Drv_Hcsr04_Init *函数功能：初始化HC-SR04 *输入参数：无 *返回值：无 *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 初始化完TIM2后，没有使能，当Echo收到高电平后使能 *============================================================================== */ void Drv_Hcsr04_Init (void) // Hc-sr04初始化 { // 结构体定义 TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; // 生成用于定时器设置的结构体 GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // GPIO结构体 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; // NVIC结构体 RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE); // 使能GPIO时钟 // GPIO初始化 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG; // 发送电平引脚 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; // 推挽式输出 GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure); GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO; // 返回电平引脚 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; // 浮空输入 GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure); GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO); // 定时器初始化 使用基本定时器TIM2 RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); // 使能对应RCC时钟 // 配置定时器基础结构体 TIM_DeInit(TIM2); 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 ) 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 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1; // 不分频 TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; // TIM向上计数模式 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 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 TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE); // 打开定时器更新中断 // NVIC配置 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 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =TIM2_IRQn; // 选择定时器2中断 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 抢占式中断优先级设置为0 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 响应式中断优先级设置为0 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; // 使能中断 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); TIM_Cmd(TIM2,DISABLE); } 4.2 TIM开关程序
/* *============================================================================== *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc *函数功能：打开定时器 *输入参数：无 *返回值：无 *备 注：无 *============================================================================== */ void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void) // 打开定时器 { TIM_SetCounter(TIM2,0); // 清除计数 gMsHcCount = 0; TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 使能TIMx外设 } /* *============================================================================== *函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc *函数功能：关闭定时器 *输入参数：无 *返回值：无 *备 注：无 *============================================================================== */ void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void) // 关闭定时器 { TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); // 使能TIMx外设 } 定时器中断服务函数如下
/* *============================================================================== *函数名称：TIM2_IRQHandler *函数功能：定时器2中断服务程序 *输入参数：无 *返回值：无 *备 注：无 *============================================================================== */ void TIM2_IRQHandler (void) // TIM2中断 { if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) // 检查TIM2更新中断发生与否 { TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); // 清除TIMx更新中断标志 gMsHcCount++; } } 4.3 获取定时时间
/* *============================================================================== *函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer *函数功能：获取定时器定时时间 *输入参数：无 *返回值：无 *备 注：无 *============================================================================== */ u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void) { u32 t = 0; t = gMsHcCount * 1000; // 得到MS t += TIM_GetCounter(TIM2); // 得到US TIM2 -> CNT = 0; // 将TIM2计数寄存器的计数值清零 delay_ms(50); return t; } 4.4 计算测量距离
/* *============================================================================== *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength *函数功能：获取测量距离 *输入参数：无 *返回值：无 *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 为了消除余震的影响，取五次数据的平均值进行加权滤波 *============================================================================== */ float Med_Hcsr04_GetLength (void ) { u32 t = 0; int i = 0; float lengthTemp = 0; float sum = 0; while(i!=5) { TRIG_Send = 1; // 发送口高电平输出 delay_us(20); TRIG_Send = 0; while(ECHO_Reci == 0); // 等待接收口高电平输出 Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc(); //打开定时器 i = i + 1; while(ECHO_Reci == 1); Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc(); // 关闭定时器 t = Drv_Hcsr04_GetEchoTimer(); // 获取时间,分辨率为1us lengthTemp = ((float)t/58.0); // cm sum = lengthTemp + sum ; } lengthTemp = sum/5.0; return lengthTemp; } 4.5 宏定义
#define HCSR04_PORT GPIOB // 定义IO口 #define HCSR04_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB // 开启GPIO时钟 #define HCSR04_TRIG GPIO_Pin_8 // 定义Trig对应引脚 #define HCSR04_ECHO GPIO_Pin_9 // 定义Echo对应引脚 #define TRIG_Send PBout(8) // 将TRIG_Send映射到PB8 #define ECHO_Reci PBin(9) // 将ECHO_Reci映射到PB9 void Drv_Hcsr04_Init(void); // Hc-sr04初始化 void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void); //打开定时器 void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void); //关闭定时器 u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer(void); // 获取定时器时间 五、应用实例
利用串口打印距离信息，main函数如下
float gDistance = 0; //定义获取返回距离变量 int main(void) { Med_Mcu_Iint(); // 系统初始化 while(1) { gDistance = Med_Hcsr04_GetLength(); //获取返回距离 printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance); //串口打印返回距离 delay_ms(500); //延时500ms = 0.5s } } 六、拓展应用
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，以及往那边转弯。
