树莓派上使用HC-SR04超声波测距模块


超声波测距的原理很简单,高中物理题不是做过很多次了么 :D

超声波测距原理
可以看到,知道时间间隔就能得到距离 L。
那么 HC-SR04 是怎么测距的呢?又怎么使用树莓派控制它?

HC-SR04 介绍

HC-SR04 模块可以测量 3cm – 4m 的距离,精确度可以达到 3mm。这个模块包括 超声波发射器、超声波接收器和控制电路三部分。有 4 个引脚。

HC-SR04 实物图

HC-SR04参数表

接线方式

4 个引脚由 2 个电源引脚(Vcc 、GND)和 2 个控制引脚(Trig、Echo)组成。
Vcc 和 Gnd 接 5v DC 电源,但不推荐用独立电源给它供电,应使用树莓派或单片机的 GPIO 口输出 5v 和 Gnd 给它供电。不然会影响这个模块的运行。
Trig 引脚用来接收来自树莓派的控制信号。接任意 GPIO 口。
Echo 引脚用来发送测距结果给树莓派。接任意 GPIO 口。

(注意 Echo 返回的是 5v信号,而树莓派的 GPIO 接收超过 3.3v 的信号可能会被烧毁,因此需要加一个分压电路)

HC-SR04 的测距过程

1. 树莓派向 Trig 脚发送一个持续 10us 的脉冲信号。
2. HC-SR04 接收到树莓派发送的脉冲信号,开始发送超声波 (start sending ultrasoun),并把 Echo置为高电平。    然后准备接收返回的超声波。
3. 当 HC-SR04 接收到返回的超声波 (receive returned ultrasound) 时,把 Echo 置为低电平。

从上述过程可以看出, Echo 高电平持续的时间就是超声波从发射到返回所经过的时间间隔 ~

请对照下图。

电路图与 python 程序


电路图
接线跟前文所说的一样。 GPIO 2 脚接 Trig , GPIO 3 脚接 Echo 。树莓派的 +5v 和 Gnd 与 HC-SR04 的 Vcc 和 Gnd 相连。还有一个分压电路,一端接 Echo ,另一端接 Gnd。

1k 和 2k 电阻组成了一个分压电路,使 GPIO 3 脚的电压降到了 3.3v 左右。

python 程序

初始化相关引脚:

2 脚连 Trig ,设为输出模式; 3 脚连 Echo,设为输入模式。
然后向 Trig 引脚输入 10us 的脉冲:

time.sleep()  接收的参数单位为 s ,于是把10 us 转换为 0.00001 s 。
接收到这个脉冲后,HC-SR04 发射出超声波,同时把 Echo 置为高电平。在发射之前,Echo 一直为低电平。
据此编写程序,记录超声波发射时的时间。

然后记录超声波返回时的时间。

这样就获得了我们需要的数据 pulse_start 和 pulse_end ,可以算出距离了~
测得距离(单位:m)  =  (pulse_end – pulse_start) * 声波速度 / 2
声波速度取 343m/s 。

然后再把测得的距离转换为 cm。

测得距离(单位:cm) = (pulse_end – pulse_start) * 声波速度 / 2 * 100
=  (pulse_end – pulse_start) * 17150

以下是完整代码。

#导入 GPIO库
import RPi.GPIO as GPIO
import time
 
#设置 GPIO 模式为 BCM
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
 
#定义 GPIO 引脚
GPIO_TRIGGER = 23
GPIO_ECHO = 24
 
#设置 GPIO 的工作方式 (IN / OUT)
GPIO.setup(GPIO_TRIGGER, GPIO.OUT)
GPIO.setup(GPIO_ECHO, GPIO.IN)
 
def distance():
    # 发送高电平信号到 Trig 引脚
    GPIO.output(GPIO_TRIGGER, True)
 
    # 持续 10 us 
    time.sleep(0.00001)
    GPIO.output(GPIO_TRIGGER, False)
 
    start_time = time.time()
    stop_time = time.time()
 
    # 记录发送超声波的时刻1
    while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 0:
        start_time = time.time()
 
    # 记录接收到返回超声波的时刻2
    while GPIO.input(GPIO_ECHO) == 1:
        stop_time = time.time()
 
    # 计算超声波的往返时间 = 时刻2 - 时刻1
    time_elapsed = stop_time - start_time
    # 声波的速度为 343m/s, 转化为 34300cm/s。
    distance = (time_elapsed * 34300) / 2
 
    return distance
 
if __name__ == '__main__':
    try:
        while True:
            dist = distance()
            print("Measured Distance = {:.2f} cm".format(dist))
            time.sleep(1)
 
        # Reset by pressing CTRL + C
    except KeyboardInterrupt:
        print("Measurement stopped by User")
        GPIO.cleanup()

作者:jiang
链接:jianshu.com/p/293415ae3e9c


3 评论

  1. 这脉宽测量方法也太硬核了!严重怀疑OS调度会影响计时精度。
    一般会用arduino测量后再通过串口、以太网等发送给树莓派吧。

  2. reiyawea 说的有道理,系统计时不会精确到纳秒
    其实不需要记录发射时间,只要以固定频率发射,然后记录接收的时间间隔,就可以计算距离了

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