Arduino学习（2）——HC-SR04超声波测距模块原理及代码实现

（1）超声波传感器原理

本项目使用的是HC-SR04超声波测距模块，如下图所示：

该模块管脚功能定义如下：

• VCC：供电电源引脚

• Trig：触发信号引脚

• Echo：回声信号引脚

• GND：电源地引脚

模块主要参数如下：

• 工作电压范围：3～5.5V宽电压供电
• 工作电流：<20mA
• 测量距离：2cm～450cm
• 测量精度：0.5cm
• 通信接口：IO数字接口

工作原理如下描述：

1. 超声波的Trig引脚负责发送声波，触碰到物体后声波返回被Echo引脚接收，根据接收的时间长短以及声音在空气中的传播速度为340m/s，可以计算出所测得的距离。
2. 给Trig引脚输入一个长为10us的高电平方波，输入方波后，模块会自动发射8个40kHz的声波，在同一时刻，Echo引脚电平会从0变为1。程序设计中，在Echo引脚电平翻转时，启动定时器进行计时。
3. 当超声波触碰到物体并返回被模块接收到后，Echo引脚电平会由1变为0。程序设计中，在Echo引脚电平再次翻转时，停止定时器计时。
4. 根据定时器定时时长，即可得到所测距离。

HC-SR04超声波传感器模块工作时序图如下所示：

（2）Arduino代码解析

/*
  介绍：利用Arduino Uno板的Pin9和Pin10分别作为Trig引脚和Echo引脚
        分别设置为输出和输入模式，根据Echo电平翻转的时长计算距离
        最后用串口将所得到的距离打印到串口监视器上
*/
#define TRIG_PIN 9
#define ECHO_PIN 10

// 串口、Trig引脚、Echo引脚定义
void setup()
{
  Serial.begin(9600);
  pinMode(TRIG_PIN, OUTPUT);
  pinMode(ECHO_PIN, INPUT);
}

void loop()
{
  long duration, distance;

  // 发送10微妙的高电平脉冲给Trig引脚
  digitalWrite(TRIG_PIN, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(TRIG_PIN, HIGH);
  delayMicroseconds(2);

  duration = pulseIn(ECHO_PIN, HIGH);

  distance = duration * 0.0344 / 2;

  // 打印所测得的距离
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.print(distance);
  Serial.println(" cm");

  // 间隔0.5秒采集一次数据
  delay(500);
}

实验结果如下：

特殊函数说明：

pulseIn()是Arduino中的一个内建函数，用来测量一个数字引脚上脉冲的宽度（高电平或低电平的持续时间）。该函数通常用于捕捉输入信号的时间长度，并将其以微秒为单位返回。

函数原型如下：

long pulseIn(uint8_t pin, uint8_t value);
long pulseIn(uint8_t pin, uint8_t value, unsigned long timeout);

• pin：数字引脚的编号，连接到需要测量脉冲的输入信号。
• Value：要测量的脉冲类型，通常为HIGH或LOW：
  • HIGH：测量信号为高电平的持续时间
  • LOW：测量信号为低电平的持续时间
• timeout（可选）：最大等待时间，单位为毫秒。如果在这个时间内没有检测到脉冲，函数返回0。