3.25 超声波测距模块

声音是由物体的振动产生的，人们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹(Hz)。我们人类耳朵能听到的声波频率为20Hz～20000Hz。当声波的振动频率小于20Hz或大于20000Hz时，我们便听不见了。因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量。

超声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。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的距离(s)，即：s=340t/2 。这就是所谓的时间差测距法。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。由此可见，超声波测距原理与雷达原理是一样的。
我们常用的超声波传感器是SR04、SR05两种，它们都是做好了电路集成的模块所以叫做超声波传感器模块。如图3.25.1所示。

图3.25.1 SR04超声波模块
真正的超声波传感器是没有模块化的，只是一个简单的发射器和一个接收器，如下图3.25.2所示，为了大家的实用方便，专门有厂商把超声波发射器和接收器做成了模块化，使用时只需要给模块供电，驱动发射引脚后就可以在接收引脚接收超声波传播的时间了。

图3.25.2 超声波传感器

超声波模块使用方法

图3.25.3 超声波模块测距时序图
如上图所示，在使用超声波模块时，只需要在触发信号引脚给一个大于10us的高电平的触发信号，触发后，模块模块会自动发送8个40KHz的超声波脉冲，并自动检测是否有信号返回。这步会由模块内部自动完成。如有信号返回，信号返回引脚会输出高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。此时，我们只需要能读取到这个高电平的时间，因为声速是已知的，我们就能计算出距被测物的实际距离。需要注意的是，通过这种方法测出的距离是实际距被测距离的2倍，因为超声波是发射出去，遇到障碍物又反射回来，走过的路程是实际测试距离的2倍。

常见超声波模块的参数

超声波测距模块参考电路

图 SR04电路连接图
引脚连接参考下表

超声波测距模块参考程序

// 设定SR04连接的Arduino引脚
int Trig_Pin = 2;
int Echo_Pin = 3;
unsigned long cm_dat;     //测量数据存储变量
void setup()
{   // 初始化串口通信及连接SR04的引脚
Serial.begin(9600);
pinMode(Trig_Pin, OUTPUT);
// 要检测引脚上输入的脉冲宽度，需要先设置为输入状态
pinMode(Echo_Pin, INPUT);
Serial.println("超声波传感器测距测试:");
}
void loop()
{
 // 产生一个10us的高脉冲去触发TrigPin
digitalWrite(Trig_Pin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(Trig_Pin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(Trig_Pin, LOW);
 // 检测脉冲宽度，并计算出距离
cm_dat = (pulseIn(Echo_Pin, HIGH,500000)*0.0343)/2;  
// cm_dat = pulseIn(Echo_Pin, HIGH,500000) / 58.00;  
Serial.print(cm_dat);
Serial.print("cm");
Serial.println();
delay(1000);
}

知识拓展1

读取一个引脚的脉冲信号，信号可以是高电平（HIGH）或低电平(LOW）。例如，如果value 是HIGH，pulseIn(value)会等待引脚变为 HIGH，开始计时，再等待引脚变为 LOW 并停止计时。返回脉冲的长度，单位us。如果在指定的时间内无脉冲，函数返回0。此函数读取长时间的脉冲计时可能会出错，计时范围从 10 us至3 min。（1 s=1000 ms=1000 000 us）。
请注意，假如调用pulseIn(HIGH)函数时读取信号的引脚上已经为高电平，此时Arduino将等待该引脚变为低电平以后再开始检测脉冲信号。另外只有Arduino的中断是开启时，才能使用pulseIn()。

pulseIn(pin, value); 
pulseIn(pin, value, timeout);
pin:      需要进行脉冲计时的引脚号
value:    要读取的脉冲类型，HIGH 或LOW
timeout    (可选）：指定脉冲计数的等待时间，单位为微秒，默认值是 1 秒（unsigned long）

知识拓展2：关于距离中除以58的说明

声音在干燥、20℃的空气中的传播速度大约为343米/秒，合34300厘米/秒。或者进行一次单位换算，34300/1000000厘米/微秒。即为：0.0343厘米/微秒，再换一个角度，1/（0.0343 厘米/微秒）即：29.15 微秒/厘米。这就意味着，也就是超声波走过1厘米需要时间29.15微秒。但是发送后接收到回波，声音走过的是2倍的距离。所以实际距离的1厘米距离，超声波需要走过2cm，对应所需要的时间就是29.15*2=58.3微秒。实际上整个测距过程是测得发出声波到收到回波的时间，而且单位是us。所以换成距离cm，要除以58，当然除以58.3可能更精确。所以程序中用 pulseIn(EcoPin, HIGH) / 58.00获取测得的距离。