代码收藏家技术教程 2025-01-14

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：

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。
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。
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

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。
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。
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。
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：