学习笔记——HC-SR04 超声波测距传感器

HC-SR04 超声波测距传感器

1. 实物图及主要参数指标

实物外观

• 模块尺寸：45mm × 20mm × 15mm

• 包含一个超声波发射器和一个接收器

• 4个引脚：VCC、Trig、Echo、GND

技术参数指标

参数	数值	说明
工作电压	DC 5V	典型工作电压
工作电流	15mA	静态电流小于2mA
感应角度	≤15°	探测锥角范围
探测距离	2cm - 400cm	有效测量范围
精度	3mm	理论精度
分辨率	1mm	最小可分辨距离
测量周期	≥60ms	建议测量间隔
输出方式	数字脉冲信号	TTL电平

2. 引脚定义与接线

引脚名称	功能描述	连接方式
VCC	电源正极	接5V电源
Trig	触发控制信号输入	接MCU的GPIO引脚
Echo	回响信号输出	接MCU的GPIO引脚
GND	电源地	接电源地

典型接线示例：

HC-SR04        MCU/开发板
VCC     →      5V
Trig    →      GPIO12（输出模式）
Echo    →      GPIO13（输入模式）
GND     →      GND

3. 工作原理详解

3.1 传感器工作原理

1. 发射超声波：压电陶瓷片在电信号作用下产生40kHz的超声波

2. 传播与反射：超声波在空气中传播，遇到障碍物反射

3. 接收回波：接收器将反射回的声波转换为电信号

4. 信号处理：内部电路处理信号，输出脉冲宽度与距离成正比的信号

3.2 时序图分析

Trig引脚：  _______
            |     |
____________|     |__________
            ↑     ↑
         10μs触发脉冲

Echo引脚：   __________________________
            |                        |
____________|                        |__________
            ↑                        ↑
          发射开始                  回波接收结束
           
          高电平持续时间 = 超声波往返时间

4. 数据采集逻辑与代码实现

4.1 标准测量流程

// 伪代码流程
1. 设置Trig引脚为低电平（至少5μs）
2. 给Trig引脚一个10μs以上的高电平脉冲
3. 等待模块内部自动发送8个40kHz超声波
4. 检测Echo引脚变为高电平（开始计时）
5. 等待Echo引脚变为低电平（停止计时）
6. 计算高电平持续时间t（单位：μs）
7. 计算距离：距离 = (t × 0.034) ÷ 2  （单位：cm）

4.2 Arduino示例代码

const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;

void setup() {
  Serial.begin(9600);
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
}

void loop() {
  // 确保Trig引脚初始为低电平
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(5);
  
  // 发送10μs的高电平触发脉冲
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  
  // 读取Echo引脚的高电平持续时间
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  
  // 计算距离（单位：cm）
  // 声速340m/s = 0.034cm/μs，除以2是往返距离
  float distance = duration * 0.034 / 2;
  
  // 输出结果
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");
  
  // 建议测量间隔60ms以上
  delay(100);
}

4.3 树莓派Python示例

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 引脚设置
TRIG = 23
ECHO = 24

def setup():
    GPIO.setmode(GPIO.BCM)
    GPIO.setup(TRIG, GPIO.OUT)
    GPIO.setup(ECHO, GPIO.IN)
    GPIO.output(TRIG, GPIO.LOW)
    time.sleep(0.5)  # 稳定传感器

def get_distance():
    # 发送触发信号
    GPIO.output(TRIG, GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.00001)  # 10μs
    GPIO.output(TRIG, GPIO.LOW)
    
    # 等待回波开始
    while GPIO.input(ECHO) == 0:
        pulse_start = time.time()
    
    # 等待回波结束
    while GPIO.input(ECHO) == 1:
        pulse_end = time.time()
    
    # 计算脉冲持续时间
    pulse_duration = pulse_end - pulse_start
    
    # 计算距离（cm）
    distance = pulse_duration * 17150  # 34300/2，声速343m/s（考虑温度修正）
    distance = round(distance, 2)
    
    return distance

def main():
    setup()
    try:
        while True:
            dist = get_distance()
            print(f"Distance: {dist} cm")
            time.sleep(0.1)  # 100ms测量间隔
    except KeyboardInterrupt:
        GPIO.cleanup()

if __name__ == '__main__':
    main()

5. 计算公式与单位转换

5.1 基本公式

距离 = (高电平时间 × 声速) / 2

其中：
- 高电平时间单位：秒(s)
- 声速：340m/s（标准条件下）
- 距离单位：米(m)

5.2 常用单位转换

时间单位	计算公式	结果单位
秒(s)	距离 = (t × 340) / 2	米(m)
微秒(μs)	距离 = (t × 0.034) / 2	厘米(cm)
微秒(μs)	距离 = (t × 340) / 2 × 10⁻⁶	米(m)

实用公式：

距离(cm) = 高电平时间(μs) × 0.017
或
距离(cm) = 高电平时间(μs) / 58

6. 使用注意事项与误差分析

6.1 使用注意事项

1. 电源稳定：确保5V供电稳定，波动会影响测量精度

2. 测量间隔：两次测量间隔≥60ms，防止信号干扰

3. 最小距离：测量距离不应小于2cm，否则可能无法正确检测

4. 安装方式：传感器表面应与被测面平行

5. 环境影响：避免在高温、高湿、强风环境下使用

6.2 误差来源及修正

误差来源	影响	修正方法
温度变化	声速变化	加入温度补偿：v = 331.3 + 0.606 × T(℃)
湿度变化	声速变化	在标准环境下校准
角度偏差	测量值偏大	确保传感器垂直被测面
多次反射	测量不稳定	避免在狭窄空间使用
噪声干扰	误触发	增加软件滤波算法

温度补偿公式：

float temperature = 25.0; // 当前温度，单位℃
float speed_of_sound = 331.3 + 0.606 * temperature; // 单位m/s

// 使用温度补偿的距离计算
float distance = (duration * 1e-6 * speed_of_sound * 100) / 2; // 单位cm

7. 常见问题与解决方案

Q1: 传感器一直返回最大值或0

可能原因：

• 接线错误

• 电源不足

• 超出测量范围

• 物体表面吸收超声波（如绒毛、海绵）

解决方案：

1. 检查VCC是否为5V

2. 确认Trig和Echo引脚连接正确

3. 确保被测物体在2-400cm范围内

4. 更换反射效果好的被测物

Q2: 测量值跳动较大

解决方案：

1. 增加软件滤波（如滑动平均滤波）

2. 增加测量间隔时间

3. 检查电源稳定性

4. 避免在振动的环境中使用

滑动平均滤波示例：

#define FILTER_SIZE 5

float distance_filter[FILTER_SIZE];
int filter_index = 0;

float moving_average_filter(float new_value) {
    distance_filter[filter_index] = new_value;
    filter_index = (filter_index + 1) % FILTER_SIZE;
    
    float sum = 0;
    for(int i = 0; i < FILTER_SIZE; i++) {
        sum += distance_filter[i];
    }
    return sum / FILTER_SIZE;
}

8. 应用场景

1. 避障机器人：实时检测前方障碍物距离

2. 液位检测：测量液体深度

3. 停车辅助：车辆倒车雷达系统

4. 物体检测：检测物体是否存在及距离

5. 高度测量：结合角度测量物体高度

6. 安防系统：入侵检测

9. 扩展应用：多传感器阵列

当需要更广的探测范围时，可以使用多个HC-SR04组成阵列：

// 多传感器控制示例
const int sensorCount = 3;
const int trigPins[] = {9, 10, 11};
const int echoPins[] = {2, 3, 4};

void measureAllSensors() {
    for(int i = 0; i < sensorCount; i++) {
        // 依次测量每个传感器
        float dist = measureSingleSensor(trigPins[i], echoPins[i]);
        Serial.print("Sensor ");
        Serial.print(i);
        Serial.print(": ");
        Serial.print(dist);
        Serial.println(" cm");
        
        // 传感器间测量间隔
        delay(50);
    }
}

总结：HC-SR04是一款成本低、使用简单的超声波测距传感器，通过理解其工作原理、时序要求和注意事项，可以广泛应用于各种距离测量场景。在实际使用中，建议加入适当的滤波算法和温度补偿以提高测量精度和稳定性。