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

本文首发 良许嵌入式网 ：https://www.lxlinux.net/e/ ，欢迎关注！

本文所涉及的源码及安装包如下（由于平台限制，请点击以下链接阅读原文下载）：

https://www.lxlinux.net/e/stm32/hc-sr04-tutorial.html

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。

• 【STM32下载程序的五种方法：https://www.lxlinux.net/e/stm32/five-ways-to-flash-program-to-stm32.html】

• 【一文教你使用MDK开发工具：https://www.lxlinux.net/e/stm32/mdk-development-tool-tutorial.html】

• 【零基础快速上手STM32开发（手把手保姆级教程）：https://www.lxlinux.net/e/stm32/stm32-quick-start-for-beginner.html】

往期教程，有兴趣的小伙伴可以看看。

• 【手把手教你玩转蓝牙模块（原理+驱动）：https://www.lxlinux.net/e/stm32/bluetooth-turorial.html】

• 【手把手教你玩转ESP8266（原理+驱动）：https://www.lxlinux.net/e/stm32/esp8266-tutorial.html】

• 【手把手教你玩转DHT11（原理+驱动）：https://www.lxlinux.net/e/stm32/dht11-tutorial.html】

我本科及硕士都是学机械，通过自学成功进入世界500强外企。我已经将自己的学习经验写成了一本电子书，超千人通过此书学习并转行成功。现在将这本电子书免费分享给大家，希望对你们有帮助：

电子书链接：https://www.lxlinux.net/1024.html

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：

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：

1. 单片机给超声波模块发送大于 10us 的高电平的触发信号；

2. 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；

3. Echo 端由低电平转为高电平，同时开始发送超声波；

4. 超声波模块检测到返回信号，Echo 端由高电平转为低电平；

5. 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

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：https://www.lxlinux.net/e/stm32/five-ways-to-flash-program-to-stm32.html】。

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。

引脚初始化代码如下：

 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。

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，

1. 单片机给超声波模块发送大于 10us 的高电平的触发信号；

2. Trig 的 8个40kHz 的超声波脉冲，不用管，我们不需要；

3. Echo 端由低电平转为高电平，开启定时器；

4. 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；

5. 得到超声波来回的总距离，进行计算，得到实际测量距离。

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 cmrn',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：

#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);

#endif

4.5 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！