HC-SR04超声波模块的原理与时序详解

2860 单片机 HC-SR04 超声波模块

问答对人有帮助，内容完整，我也想知道答案 0 HC-SR04超声波模块的原理是什么？ HC-SR04超声波模块的时序是怎样的？ 1
2022-1-20 07:10:50　　评论淘帖0 邀请回答您可以邀请以下用户，快速回答问题 × heks 该类别下有 20 个回答。邀请回答新星之火12138 该类别下有 18 个回答。邀请回答 wang21cj 该类别下有 17 个回答。邀请回答 hgimtk 该类别下有 16 个回答。邀请回答 liutiefu 该类别下有 15 个回答。邀请回答科源机电该类别下有 15 个回答。邀请回答 kghfh 该类别下有 14 个回答。邀请回答 chm5 该类别下有 13 个回答。邀请回答 dgfdf 该类别下有 13 个回答。邀请回答 723662364d 该类别下有 13 个回答。邀请回答一巷清苑该类别下有 13 个回答。邀请回答早知该类别下有 12 个回答。邀请回答 Ehunt 该类别下有 12 个回答。邀请回答张峰9998 该类别下有 12 个回答。邀请回答 hy381 该类别下有 12 个回答。邀请回答 ggfvxv 该类别下有 12 个回答。邀请回答 YOYOOO 该类别下有 12 个回答。邀请回答 h1654155275.6473 该类别下有 12 个回答。邀请回答 hjhdf 该类别下有 12 个回答。邀请回答 efwedfd 该类别下有 12 个回答。邀请回答举报李英相关推荐 • 如何通过HC-SR04超声波模块去实现测距功能呢 2546 • 怎样去编写HC-SR04超声波模块的控制程序呢 1158 • 超声波模块HC-SR04死机 2509 • HC-SR04超声波模块检测不到高电平 5522 • 哪位大侠用过超声波模块HC-SR04？？ 3928 • HC-SR04超声波模块为什么要发8个脉冲出去 7562 • 如何利用HC-SR04超声波测距模块去实现精确的直线测距呢 1523 • 如何去编写HC-SR04超声波测距模块的驱动程序呢 1271 • 如何对基于STM32F103VET6的超声波传感器HC-SR04进行测距呢 1829 • Arduino做倒车辅助使用PIR模块好还是使用超声波模块？ 389 2个回答

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2022-1-20 10:36:22 评论举报李阳

导语

近期想自己做超声波模块，在网上找了很多资料，大多是笼统的讲解了一下，有的还是存在误导的数据，一怒之下干脆自己动手从新理一遍。

原理图

网上大多数流传的是类似这份电路图，但是市面上流行的是另一个加密的电路图（接收部芯片抹掉丝印），但是他们的工作原理基本是相同的。也就是放大–>选频（40KHz）–>放大–>比较。（具体的选频元件选取与设计参数本人也是半桶水，希望大神留言告知）
时序

比较脚拉低：NET9，接收触发信号：NET10
上面的时序图拿逻辑分析仪按正常接线是测不出来的，里面有个坑，那就是NET9脚其实是漏极开路，直接接到逻辑分析仪上会干扰超声波模块正常工作，并且抓取不到时序图。在这里我强行外部上拉了一个1K电阻，虽然超声波接收到的数据是错误，但是起码能抓取到它工作原理的时序图。
trig引脚需要一个10us的高电平触发脉冲–>接着把NET9引脚拉低（排除干扰信号）–>模块发射8个40KHz的脉冲–>启动定时器，启动中断–>等待NET10的接收触发中断信号–>关闭定时器，关闭中断，计算计时器时间–>通过echo引脚输出与计时器时间一样的高电平脉冲。
总结分析

比较器
1、UC直流分析：
当超声波模块没有接收到任何信号的时候，B点的电压为2.5V（由于R7和R16分压2.5V）。
2、NET9为漏极开路（忽略R10影响）：
A点的电压为2.41V，B-A=0.09V，非常容易触发UD输出高低电平，很容易受干扰信号影响。
3、NET9输出低电平（忽略R10影响）:
A点的电压约为0.96V，B-A=1.54V，不容易触发UD输出高低电平，不容易受干扰信号影响。
4、NET9输出低电平，假设B点输出0-5V交流信号（考虑R10影响）：
此时A点的电压约为0.96V。
当B点为0V时，C点的电压约为0.075V，电压：A>C，Q1三极管关断，D点电压约为4.62V。在B点电压为0–0.89V之间，Q1三极管一直出于关闭状态。
当B点的电压约为0.90V的时候，C点约为0.962V，电压：C>A，UD输出高电平，Q1三极管导通；当Q1三极管导通，D点的电压瞬间变为0.3V（三极管的导通压降），C点的电压瞬间变为0.89V，此时电压：A>C，UD输出低电平，Q1三极管断开；此时Q1三极管是出于重复的开与关状态；B点在0.90—0.972V这段电压内，Q1三极管一直出于重复开关状态，如时序图的接收触发部分。

当B点的电压在0.973—5V之间，Q1三极管一直出于导通状态。
4、NET9输出高电平（漏极开路）：
超声波模块中断关断、定时器不计时、不处理NET10的信号，UD处于高度灵敏状态，输出带有干扰信号的脉冲。
备注：此为个人理解，有不同见解的大神希望能留言告知。
认识超声波

可在空气中传播的超声波频率，大约介于20~200KHz之间，其衰减程度与频率成正比（即频率越高，传播距离越短）
在室温20°C的环境中，声波的传输速度约为344m/s（声音在水中传播的速度比在空气快60倍），因此，假设超声波往返的时间为600μs，可通过公式：

求得：被测物的距离为10.3cm。
影响声音传播速度的因素：
1、空气的密度会影响声音的传播速度，空气的密度越高，声音的传播速度越快，而空气的密度又与温度密切相关，考虑温度变化的声音传播速度的近似公式：
速度=V0+0.6×T
其中， V 0 V_0 V0：声音在0摄氏度时的传播速度331.5米/秒。T：温度
2、物体的形状和材质会影响超声波传感器的效果和准确度，探测表面平整的墙壁和玻璃时，声波将会入射角度反射回来；只要物体表面的坑洞尺寸小于声波波长的 1 4 frac{1}{4} 41，即可视为平整表面。波长计算公式：

超声波传感器简介
超声波传感器模块上面通常有两个超声波元器件，一个用于发射，一个用于接收。电路板上有4个引脚：VCC（正极）、Trig（触发）、Echo（回应）、GND（接地），主要参数：
工作电压与电流：5V、15mA。感测距离：2~400cm感测角度：不大于15°。被测物的面积不要小于50cm²并且尽量平整。在超声波模块的触发脚位输入10微妙以上的高电位，即可发射超声波，发射超声波之后，与接收到传回的超声波之前，“响应”脚位呈现高电位。因此，程序可从“响应”脚位的高电位脉冲持续时间，换算出被测物的距离。
代码及解析：
pulseIn()：用于检测引脚输出的高低电平的脉冲宽度。
pulseIn(pin, value)
pulseIn(pin, value, timeout)
Pin—需要读取脉冲的引脚
Value—需要读取的脉冲类型，HIGH或LOW
Timeout—超时时间，单位微秒，数据类型为无符号长整型。
使用方法及时序图：

1、使用Arduino数字引脚给SR04的Trig引脚至少10μs的高电平信号，触发SR04模块测距功能。
2、触发后，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。
3、如有信号返回，Echo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，我们能使用pulseIn()函数获取到测距的结果，并通过公式计算出距被测物的实际距离。
接线图：

[tr]Arduino UNO R3HC-RS04[/tr]

+5V	+5V
D7	Trigger
D6	Echo
GND	GND

代码：

const int pingPin = 7; // Trigger Pin of Ultrasonic Sensor
const int echoPin = 6; // Echo Pin of Ultrasonic Sensor

void setup() {
Serial.begin(9600); // Starting Serial Terminal
}

void loop() {
long duration, inches, cm;
pinMode(pingPin, OUTPUT);
digitalWrite(pingPin, LOW);
delayMicroseconds(2);
digitalWrite(pingPin, HIGH);
delayMicroseconds(10);
digitalWrite(pingPin, LOW);
pinMode(echoPin, INPUT);
duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
inches = microsecondsToInches(duration);
cm = microsecondsToCentimeters(duration);
Serial.print(inches);
Serial.print("in, ");
Serial.print(cm);
Serial.print("cm");
Serial.println();
delay(100);
}

long microsecondsToInches(long microseconds) {
return microseconds / 74 / 2;
}

long microsecondsToCentimeters(long microseconds) {
return microseconds / 29 / 2;
}