NanoE (五) HC-SR04超声波测距实验

Philsjy

HC-SR04超声波测距实验

一、实验原理

（一）超声波及HC-SR04模块介绍

超声波是一种频率高于 20000Hz 的声波，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等，应用于许多不同的领域：

检测物体和测量距离：超声波设备用于检测物体和测量距离。
医学领域：超声成像或超声检查常用于医学。
无损检测：在产品和结构的无损检测中，超声波用于检测不可见的缺陷。
工业应用：超声波用于清洁、混合和加速化学过程。
动物定位：蝙蝠和鼠海豚等动物使用超声波来定位猎物和障碍物。

HC-SR04是一款广泛使用的非接触式超声波传感器，它能够测量一个物体的距离而无需物理接触。其工作原理是发射一个超声波脉冲，然后听取该脉冲的回声。通过计算声波被发射和接收的时间差，可以计算出距离。HC-SR04 在机器人、障碍物避让系统、自动化工程等领域有很多应用。它因成本低、易于使用和相对准确而受到许多开发者和爱好者的青睐。

以下是 HC-SR04 超声波传感器的一些关键特性：

工作电压：一般为 5V 直流电。
工作频率：大约 40kHz。
测量范围：从 2cm 到 400cm，有较好的准确性。
接口：四个引脚（VCC, TRIG, ECHO, GND）。
分辨率：约 0.3cm。

（二）超声波模块工作原理

在使用 HC-SR04 时，首先向 TRIG 引脚发送至少 10 微秒的高电平脉冲，以启动超声波脉冲的发射。然后模块自动发射 8 个 40kHz 的超声波，并检测是否有回声。如果回声被检测到，ECHO 引脚输出一个高电平脉冲，脉冲的持续时间与声波往返传感器与物体的时间成正比。通过测量这个时间，可以根据声速计算出传感器到物体的距离。

超声波传感器使用声纳来确定与物体的距离。我们使用的超声波模块由 2 个超声波探头组成：

T：表示 Transmitter（发射），负责发送超声波信号；
R：表示 Receiver（接收），负责接收回响信号。

注意：如果在使用过程中，对其中任意一个探头进行遮挡，都会使超声波无法正常测量距离。

模块底部有四个引脚：

VCC：5V 供电引脚；
GND：接地；
TRIG：控制信号输入；
ECHO：回响信号输出。

超声波模块引脚图
以上时序图表示超声波模块的基本工作原理：

采用 IO 口 TRIG 触发测距，给一个 10us 的高电平信号；
模块自动发送 8 个 40kHz 的方波，自动检测是否有信号返回；
有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

测试距离的计算公式如下：
测试距离 = （高电平时间 × 声速（340m/s）） / 2

回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。通过发射信号到收到的回响信号时间间隔，可以计算得到距离。

二、硬件电路设计

（一）物料清单（BOM 表）

材料名称	数量
NanoE 单片机	1
杜邦线（跳线）	若干
面包板	1
超声波模块	1

（二）模块与开发板接线

将 HC-SR04 超声波传感器与NanoE连接。HC-SR04 模块通常有四个引脚：VCC、Trig（触发器）、Echo（回声）、和 GND。

超声波传感器模块引脚	Arduino NanoE 引脚
VCC	3.3V 或 5V
Trig	D5
Echo	D8
GND	GND

注意：HC-SR04 的 Echo 引脚输出的是 5V 信号。如果其他单片机无法直接输入 5V，你可能需要使用电平转换器，以避免损坏单片机。

三、软件程序设计

该程序的功能是通过超声波模块测算距离并打印在窗口。

（一）代码实现

打开工具，确保波特率设置为115200，其他设置参考下图。

#include <Arduino.h>  

// 定义Trig和Echo引脚  
const int trigPin = 5;  
const int echoPin = 8;  

// 定义声速 cm/us  
const float speedOfSound = 0.0343;  

void setup() {  
  // 初始化串口通信  
  Serial.begin(115200);  
  // 设置Trig引脚为输出，Echo引脚为输入  
  pinMode(trigPin, OUTPUT);  
  pinMode(echoPin, INPUT);  
}  

void loop() {  
  // 清除Trig引脚状态  
  digitalWrite(trigPin, LOW);  
  delayMicroseconds(2); 
  // 产生一个10微秒的高电平脉冲到Trig引脚  
  digitalWrite(trigPin, HIGH);  
  delayMicroseconds(10);  
  digitalWrite(trigPin, LOW);  
  
  // 读取Echo引脚，返回声波往返时间（微秒），设置超时时间为30000微秒（30ms）  
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH, 30000);   
  
  // 如果返回时间为 0，表示超声波模块无法检测到反射的回波  
  if (duration == 0) {  
    Serial.println("Out of range"); // 如果超出检测范围，打印提示信息  
  } else {  
    // 计算距离  
    float distance = duration * speedOfSound / 2; // 距离 = 时间 * 声速 / 2  
    // 打印距离  
    Serial.print("Distance: ");  
    Serial.print(distance);  
    Serial.println(" cm");  
  }  
  
  // 每秒测量一次  
  delay(1000);  
}