单片机：实现HC-SR04超声波测距（附带源码）

使用单片机实现 HC-SR04 超声波测距模块 的功能，通常用于测量物体与超声波传感器之间的距离。HC-SR04 模块通过发射超声波信号并测量其返回时间来计算距离。单片机（如 STM32、51 系列、Arduino 等）可用来控制该模块的工作，并处理返回的脉冲信号。

下面我会提供一个基于单片机的 HC-SR04 超声波测距实现方案，并详细阐述每个步骤的设计思路和代码实现。

1. HC-SR04 超声波模块工作原理

HC-SR04 模块通过发送一系列声波脉冲来测量与目标物体的距离。模块由两部分组成：

• 发射部分（Trigger）：用来发送 10 微秒的脉冲，激发超声波信号的发送。
• 接收部分（Echo）：接收从目标物体反射回来的超声波脉冲，产生一个持续高电平的信号，持续时间等于声波往返的时间。

计算公式：

距离 = （回波时间 × 声速） / 2

• 声速约为 340 m/s（即 0.034 cm/μs），所以计算的公式为：

  

  上式中，回波时间指的是从发送脉冲到接收到返回信号的时间。

2. 硬件连接

HC-SR04 模块有四个引脚：

• VCC：电源（通常为 5V）
• GND：地线
• Trig：触发引脚（用于发射超声波脉冲）
• Echo：回声引脚（接收返回的超声波脉冲）

单片机的引脚连接方式：

• Trig：连接到单片机的一个 GPIO 引脚，用于触发超声波发射。
• Echo：连接到单片机的另一个 GPIO 引脚，用于接收回声信号。

3. 设计思路

本设计采用单片机控制 HC-SR04 模块，通过控制 Trig 引脚生成超声波触发脉冲，并通过 Echo 引脚测量回波信号的持续时间。具体的步骤包括：

1. 触发超声波信号 ：通过向 Trig 引脚输出一个 10 微秒的高电平脉冲，激发 HC-SR04 发射超声波。
2. 测量回波时间 ：通过读取 Echo 引脚的高电平持续时间来计算回波时间。单片机根据此时间计算距离。
3. 计算距离：根据回波时间和声速公式计算物体到传感器的距离。

4. 软件设计

以 STM32 微控制器为例，介绍如何实现该功能。可以使用 STM32 的 HAL 库来实现超声波测距。

4.1 初始化 GPIO

首先需要初始化 GPIO 引脚：

• Trig 引脚配置为输出模式，用于发射触发脉冲。
• Echo 引脚配置为输入模式，用于接收回波信号。

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include <stdio.h>

#define TRIG_PIN        GPIO_PIN_0   // Trig 引脚
#define ECHO_PIN        GPIO_PIN_1   // Echo 引脚
#define GPIO_PORT       GPIOA        // 假设使用 GPIOA 端口

void SystemClock_Config(void);
void GPIO_Init(void);
void trigger_ultrasonic_pulse(void);
uint32_t read_echo_pulse(void);
float calculate_distance(uint32_t pulse_width);

int main(void)
{
    HAL_Init();  // 初始化 HAL 库
    SystemClock_Config();  // 配置系统时钟
    GPIO_Init();  // 初始化 GPIO 引脚

    while (1)
    {
        trigger_ultrasonic_pulse();  // 触发超声波信号
        uint32_t pulse_time = read_echo_pulse();  // 获取回波时间
        float distance = calculate_distance(pulse_time);  // 计算距离

        // 可以通过串口输出距离值，或者在 LCD 上显示
        printf("Distance: %.2f cm\n", distance);

        HAL_Delay(500);  // 每 500 毫秒测量一次
    }
}

// 系统时钟配置函数（根据具体硬件配置）
void SystemClock_Config(void)
{
    // 这里可以根据需要配置时钟，一般不需要修改
}

// GPIO 初始化：配置 Trig 为输出，Echo 为输入
void GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // 启用 GPIO 时钟
    __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();

    // 初始化 Trig 引脚（输出）
    GPIO_InitStruct.Pin = TRIG_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    // 初始化 Echo 引脚（输入）
    GPIO_InitStruct.Pin = ECHO_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

// 触发超声波信号：生成 10 微秒的脉冲
void trigger_ultrasonic_pulse(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);  // Trig 引脚置高
    HAL_Delay(0);  // 保持高电平至少 10 微秒
    HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);  // Trig 引脚置低
}

// 读取 Echo 引脚的高电平持续时间（脉冲宽度）
uint32_t read_echo_pulse(void)
{
    uint32_t pulse_width = 0;
    
    // 等待 Echo 引脚为高电平
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_RESET);

    // 计数 Echo 引脚高电平的持续时间
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET)
    {
        pulse_width++;  // 每次延时 1 毫秒
        HAL_Delay(1);   // 延时 1 毫秒，计数单位是毫秒
    }

    return pulse_width;  // 返回脉冲宽度（单位：毫秒）
}

// 根据回波时间计算距离（单位：cm）
float calculate_distance(uint32_t pulse_width)
{
    // 使用公式：距离 (cm) = (回波时间 (微秒) * 0.034) / 2
    // 由于我们在 read_echo_pulse 函数中每次延时 1 毫秒，pulse_width 其实已经是毫秒单位。
    float distance = pulse_width * 0.034 / 2.0;  // 公式：距离 = 时间 * 声速 / 2
    return distance;
}

代码解读

1. 初始化 GPIO

   • GPIO_Init() 函数初始化了两个 GPIO 引脚：
     • Trig 引脚（GPIO_PIN_0）：用于触发超声波发射，配置为推挽输出模式。
     • Echo 引脚（GPIO_PIN_1）：用于接收超声波回波信号，配置为输入模式。

2. 触发超声波发射信号

   • trigger_ultrasonic_pulse() 函数通过在 Trig 引脚输出一个 10 微秒的高电平脉冲来激发 HC-SR04 模块发射超声波信号。

3. 测量回波时间

   • read_echo_pulse() 函数通过读取 Echo 引脚的高电平持续时间来获取回波信号的时长。通过 pulse_width 计数，记录回波信号持续的时间。

4. 计算距离

   • calculate_distance() 函数根据回波信号的时长（pulse_width）和声速公式来计算物体与传感器的距离：
     *
     \text{距离 (cm)} = \frac{\text{回波时间 (毫秒)} \times 0.034}{2} ] 其中，0.034 为声速（单位：cm/μs）。

5. 主循环

   • 在 main() 函数中，程序会不断触发超声波信号，并读取回波时间，通过计算得到距离，最后打印出距离值。每次测量之间有 500 毫秒的延时。

5. 项目总结

5.1 硬件总结

1. HC-SR04 超声波模块 ：通过发射和接收超声波信号来测量距离，连接到单片机的 GPIO 引脚（Trig 和 Echo）。
2. 单片机 ：负责控制 Trig 引脚生成脉冲，并读取 Echo 引脚的高电平持续时间，计算并输出距离。

5.2 软件总结

1. GPIO 初始化 ：配置 Trig 为输出，Echo 为输入。
2. 触发超声波信号 ：通过给 Trig 引脚发送 10 微秒的高电平脉冲来激发 HC-SR04 发射超声波。
3. 回波时间测量 ：通过读取 Echo 引脚的高电平持续时间，计算超声波往返所需的时间。
4. 距离计算：根据回波时间和声速公式计算距离，并输出测量结果。

5.3 优化与扩展

1. 更高精度：为了获得更高精度的距离，可以增加计时的精度（例如，使用定时器或更高分辨率的计时方法）。
2. 多次测量平均值：可以通过多次测量距离并取平均值来提高测量的稳定性和精度。
3. 串口输出：通过串口将测量的距离数据发送到 PC 或其他设备进行显示。
4. 电源管理：对于电池供电的系统，可以在不需要测量时关闭超声波模块，以节省电量。

通过以上设计，我们成功实现了使用单片机控制 HC-SR04 超声波模块进行测距的功能，并能够在不同的应用场景下测量距离。