Arduino UNO控制HC-SR04超声波实现（测距）及对超声波的认识

一、奇葩的开始（如有不适，自觉跳过）

最近我们学校有一个关于传感器的课程，怎么说呢，挺不错的吧，就是时间太少了，没有足够的时间去更多的了解传感器，老师从物联网讲到传感器，还有一些这两者之间的关系啊等等，感觉挺高大上的，我一直也有在课余时间学习关于传感器的相关知识，不过都是一些开源硬件吧！自我感觉也没有多么高大上，学习这些东西主要一方面是为了提高自己对嵌入式单片机的兴趣，再者就是为自己以后就业做必要的准备，也没有过深的学习传感器的原理。

不过最近这位老师说让我们班建立几个小组来介绍传感器，内容不限，种类不限，我准备了一晚上，准备介绍的是“超声波传感器”，在找资料的过程中，我真的觉得之前自己那么草率的对待所学硬件是非常可惜的，有很多好“风景”都被我错过了，我一直没有过多去深入了解传感器，直到深入去了解，才发现黄金屋。

第二天，由于时间原因没有按照预期达成想要的效果！

不过那一天过后，自己也分析了原因，还是要全讲出来才好，所以今天就准备借着CSDN这个平台来谈谈我对超声波浅薄的认识，如果有什么不对的地方或者需要补充的地方，可以留言或者私信，向大家请教问题！

二、发现超声波（历史）

还记得初中物理课本上讲关于声音的产生及传播吗？

声音是由物体振动产生的声波，振动停止发声也停止，发声的物体叫声源。声音可以通过固体、液体、气体这些介质传播。但是声音不能在真空中传播，因为真空中没有声音传播所需用的介质。

有种回到了初中物理课堂的感觉！

声音是由物体振动产生的声波，声波的计量单位为频率，是指声波每秒钟振动的次数，称为赫兹（Hz）。

人耳所能听到的声波频率为20Hz~20000Hz之间，

小于20Hz，称之为“次声波”，大于20000Hz，称之为超声波，人耳均无法听见。

而我今天要给大家讲的就是我们所听不见的超声波，讲到超声波，就不得不提到一位著名的科学家，他就是拉扎罗·斯帕拉捷（下图）

斯帕拉捷是意大利著名的博物学家、生理学家和实验生理学家，他最卓越的贡献就是蝙蝠实验。
*
*
*

1、蝙蝠实验《夜晚的实验》

1793年夏天，一个晴朗的夜晚，喧腾热闹的城市渐渐平静下来。斯帕拉捷匆匆吃完饭，便走出街口，把笼子里的蝙蝠放了出去。当他看到放出去的几只蝙蝠轻盈敏捷地来回飞翔时，不由得尖叫起来。因为那几只蝙蝠，眼睛全被他蒙上了，都是“瞎子”。
斯帕拉捷为什么要把蝙蝠的眼睛蒙上呢？原来，每当他看到蝙蝠在夜晚自由自在的飞翔时，总认为这些小精灵一定长着一双特别敏锐的眼睛，假如他们的眼睛瞎了，就不可能在黑夜中灵巧的躲过各种障碍物，并且敏捷的捕捉飞蛾了。然而事实完全出乎他的意料。斯帕拉捷很奇怪：不用眼睛，蝙蝠凭什么来辨别前方的物体，捕捉灵活的飞蛾呢？
于是，他把蝙蝠的鼻子堵住。结果，蝙蝠在空中还是飞的那么敏捷、轻松。“难道他薄膜似的翅膀，不仅能够飞翔，而且能在夜间洞察一切吗？”斯帕拉捷这样猜想。他又捉来几只蝙蝠，用油漆涂满它们的全身，然而还是没有影响到它们飞行。
最后，斯帕拉捷堵住蝙蝠的耳朵，把他们放到夜空中。这次，蝙蝠可没有了先前的神气。他们像无头苍蝇一样在空中东碰西撞，很快就跌落在地。
啊！蝙蝠在夜间飞行，捕捉食物，原来是靠听觉来辨别方向、确认目标的！
斯帕拉捷的实验，揭开了蝙蝠飞行的秘密，促使很多人进一步思考：蝙蝠的耳朵又怎么能“穿透”黑夜，“听”没有声音的物体呢？

后来人们继续研究，终于弄清了其中的奥秘。原来，蝙蝠靠喉咙发出人耳听不到的“超声波”，这种声音沿着直线传播，一碰到物体就像光照到镜子上那样反射回来。蝙蝠用耳朵接受到这种“超声波”，就能迅速做出判断，灵巧的自由飞翔，捕捉食物。

到19世纪末20世纪初，居里兄弟（下图）发现了晶体的正压电效应与逆压电效应，由此才造出了属于人类自己的超声波


机械能与电能之间的相互转换（上图）
正压电效应：某些晶体材料在交变拉压应力作用下，产生交变电场的效应称 之为正压电效应。（就是机械能转换成电能）
逆压电效应：当晶体材料在交变电场作用下，产生伸缩变形的效应称为逆压电效应。（就是电能转换成机械能）
当然，这两者都可以称之为“压电效应”。

三、HC-SR04超声波传感器

硬件名称	HC-SR04超声波传感器
工作电压	直流（DC）：5V
工作电流	15mA
工作频率	40HZ
射程范围	2厘米（cm）~4米（m）
测量角度	<=15度
输入触发信号	10微妙（uS）的TTL脉冲
输出回响信号	输出TTL电平信号与射程成正比

（下图）是超声波传感器的“探头”结构：


超声波传感器就是由这两个超声波探头和放大电路（放大电信号）等组成的。

1、原理

那么HC-SR04超声波传感器是如何实现测量距离的功能的呢？

当有脉冲电压触发时（就是控制板给Trig引脚发送高电频），探头里的晶片就会振动，继而产生超声波。超声波在空气中传播，当超声波遇到物体后就会返回，被超声波传感器的接收探头接收到（反射的超声波使压电晶片振动，继而在压电晶片两端产生电压。）随后这种电压经过超声波内部的信号放大电路，将电压信号放大，此时Echo引脚给控制板发送高电频信号。
这样一个由发送到接受的过程，经过计算就可以得出距离。
根据声音在空气中传播的速度：340m/s，可以得出
公式：距离=（时间*340m/s）➗2
（÷2，是因为往返的原因）

四、实物搭建

了解了上面的原理我们开始制作吧！！！

1、材料：

1、面包板

2、Arduino UNO板（含USB连接线）

3、HC-SR04超声波传感器

4、杜邦线（若干）

I/O表：

HC-SR04超声波传感器	Arduino UNO板
GND	GND
VCC	5v
Trig	D2
Echo	D3

接线图：

五、测距（代码部分）

#define Trig 2 //引脚Tring 连接 IO D2
#define Echo 3 //引脚Echo 连接 IO D3 
float cm; //距离变量
float temp; //存储回波
 
void setup() 
{
  Serial.begin(9600);
  pinMode(Trig, OUTPUT);
  pinMode(Echo, INPUT);
  pinMode(8,OUTPUT);
}
 
void loop() 
{
  //给Trig发送一个低高低的短时间脉冲
  digitalWrite(Trig, LOW); //给Trig发送一个低电平（初始化）
  delayMicroseconds(2);    //等待 2微妙
  digitalWrite(Trig,HIGH); //给Trig发送一个高电平
  delayMicroseconds(10);    //等待 10微妙
  digitalWrite(Trig, LOW); //给Trig发送一个低电平
  
  temp = float(pulseIn(Echo, HIGH)); //存储回波等待时间,
  //pulseIn函数会等待引脚变为HIGH,开始计算时间,再等待变为LOW并停止计时
  //返回脉冲的长度
  
  //声速是:340m/1s 换算成 34000cm / 1000000μs = 34 / 1000
  //因为发送到接收，是一来一回，我们只要单程就好了，所以➗2
  //距离(厘米)  =  (回波时间 * (34 / 1000)) / 2
  //简化后的计算公式为 (回波时间 * 17)/ 1000
  
  cm = (temp * 17 )/1000; //把回波时间换算成cm
 
  Serial.print("Echo =");
  Serial.print(temp);//串口输出等待时间的原始数据
  Serial.print(" | | Distance = ");
  Serial.print(cm);//串口输出距离换算成cm的结果
  Serial.println("cm");
}

效果是这样的