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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

2. 引脚定义与接线

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

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

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。