HC-SR04 超声波原理图讲解与时序分析与arduino使用

我开源在这里了，可以在这里下载全套资料：http://wiki.mosiwi.com/File:Ultrasonic.rar

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：

Arduino UNO R3	HC-RS04
+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 Sensorvoid 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;
}