超声波传感器是如何测距的？

超声波传感器的测距原理

超声波传感器是将超声波信号转换成其他能量信号（通常是电信号）的传感器。超声波是振动频率高于20kHz的机械波。它具有频率高、波长短、绕射现象小，特别是方向性好、能够成为射线而定向传播等特点。超声波对液体、固体的穿透本领很大，尤其是在阳光不透明的固体中。超声波碰到杂质或分界面会产生显著反射形成反射回波，碰到活动物体能产生多普勒效应。超声波传感器广泛应用在工业、国防、生物医学等方面

HC-SR04

超声波测距原理

最常用的超声测距的方法是回声探测法，如下图，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时计数器开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物面阻挡就立即反射回来，超声波接收器收到反射回的超声波就立即停止计时。超声波在空气中的传播速度为340m/s，根据计时器记录的时间t，就可以计算出发射点距障碍物面的距离s，即：s=340t/2

超声波测距原理

特点

1、频率越高，精度也越高，但检测距离越近（空气衰减增大）；

2、输出功率越高、灵敏度越高，检测距离也越远；

3、通常检测角度小的，测距范围略远；

应用场景

1、机器人避障

2、物体测距

3、液位检测

4、公共安防

5、停车场检测

如何连接超声波测距模块？

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一、前言

  在福来三轮车上，可以增加超声波测距传感器用于感知赛道上的立体障碍。这种小型的超声波测距传感器，工作原理简单，接口只需要两根信号线，占用资源少。下面通过示例程序介绍如何在 MicroPython中增加超声波传感器。介绍硬件接口和软件测量功能。

▲ 超声波传感器

二、传感器基本原理

  这是待会儿测试的超声波传感器，型号为 SR04。它的接口中，除了电源和地线之外。还有一个触发信号线，它是由单片机发送给超声波的0.1毫秒的高电平脉冲信号。另外一个是回声脉冲信号，它的高电平时间，正比于超声波往返障碍物之间的时间。因此，这个时间乘以空气中的声音速度 ，再除以2，便是前方反射超声波障碍的距离。这是使用示波器实际测量的一次脉冲信号。上面是单片机发送给超声波传感器的触发脉冲。下面是超声波模块输出的测量回声脉冲信号。

三、电路连接

  在电路主板上，原来用于串口通讯的接口，它具有电源线、地线，以及两条信号线。正好能够连接到 SR04 超声波模块。制作一个四芯的扁平电缆，将 SR04 超声波模块与主板上 UART 接口连接在一起。

四、示例程序

  在给定的学习资料示例程序目录中，有 第12 子目录，其中包括有 HC SR04 测试程序。原来的程序中，使用了 P14, P15 两个单片机管脚来控制超声波模块，根据现在使用 UART端口中的信号线的定义，这里将控制端口修改为 P4, P5。这个演示程序本身并不复杂。 前面，定义了用于超声波触发和超声波输出信号的两个管脚。触发为输出管脚，回声为输入管脚。下面，定义了两个 LED 控制端口。它们不参与超声波控制，只适用于显示程序运行状态。再往下，定义了超声波触发和测量子程序，程序的循环主体进行距离测试和 LED 闪烁。下面我们分析一下超声波距离测量函数的工作过程。

  下面，对照超声波波形，来介绍一下测量函数的功能。测量函数有一个参数，timeout。定义了最大等待时间，这是为了避免软件出现死循环。通常取 100ms。接下来，将 触发管脚置为高电平，这是触发信号的上升沿。接下来，延迟 100微秒，将 触发管脚拉低。这就形成了 一个宽度为 0.1毫秒的触发信号。取当前系统时间。接下来使用 while 循环，检测 ECHO 管脚变为高电平。最长等待时间为 timeout。这是等 ECHO信号是否出现。如果 发现了上升沿，

  接下来，取当前系统高精度时间。单位为 微秒。再使用 while 循环检测 ECHO 信号是否变为低电平。最长检测时间还是 timeout。如果发现了 ECHO是低电平，就可以调用 elapsed 函数，获得 ECHO 脉冲时间宽度。否则，显示超时错误信息。根据测量 ECHO 脉冲时间宽度，计算出反射物对应的距离。

五、测试结果

  程序运行之后，可以在串口终端中看到输出的测量距离信息。现在这是超声波传感器前面没有障碍物，超声波 ECHO 脉冲信号非常宽，对应的测量距离很长。使用手放在超声波传感器前面，距离只有 10厘米左右。ECHO信号的脉冲 宽度非常窄。将手往远处移动，测量 ECHO 脉冲信号就逐步变宽了。对应的距离变长了。

※总  结 ※

  本文介绍了超声波模块的应用。为了便于测量，这里将车模上的电路板拆卸下来放在磁性固定板上。使用主板上的 UART 四芯接口 控制 SR04 超声波模块，讲解了示例程序的工作原理，对其中控制单片机端口进行了修改。根据这个原理，可以接驳多个超声波模块，提高检测的范围。

参考资料

[1]

清华大学自动化系科技营-暨智能机器人挑战赛-学习方略 : https://blog.csdn.net/zhuoqingjoking97298/article/details/140378536?csdn_share_tail=%7B%22type%22%3A%22blog%22%2C%22rType%22%3A%22article%22%2C%22rId%22%3A%22140378536%22%2C%22source%22%3A%22zhuoqingjoking97298%22%7D

[2]

主板实验 | 如何应用外部端口中断？ : https://zhuoqing.blog.csdn.net/article/details/140660159

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