本文介绍HC-SR04超声波传感器的原理和如何使用Raspberry Pi的GPIO来使用该传感器。

HC-SR04 超声波距离传感器可以报告最远 4米外的物体范围。当您试图防止机器人撞到墙壁时，这是一件好事。它们功率低（适用于电池供电的设备）、价格实惠、易于连接，并且非常受业余爱好者的欢迎。

什么是超声波？

超声波是一种高音调声波，其频率超出了人类听觉的可听范围。

人类可以听到每秒振动约 20 次（低沉的隆隆声）至每秒 20,000 次（高音调的哨声）的声波。然而，超声波的频率超过 20,000 Hz，因此人类听不见。

超声波频率范围频谱

HC-SR04 硬件概述

HC-SR04 超声波距离传感器实际上由两个超声波换能器(Transducer)组成。一个用作发射器，将电信号转换为 40 KHz 超声波脉冲。另一个用作接收器，监听发射的脉冲。当接收器接收到这些脉冲时，它会产生一个输出脉冲，其宽度与前方物体的距离成正比。该传感器可提供 2 厘米至 400 厘米之间出色的非接触式范围检测，精度为 3 毫米。由于它采用 5 伏电压运行，因此可以直接连接到Raspberry Pi或其他5V的逻辑微控制器。技术规格：

HC-SR04 超声波传感器引脚

VCC 为 HC-SR04 超声波传感器供电。您可以将其连接到Raspberry Pi的 5V 输出。

Trig（触发）引脚用于触发超声波脉冲。通过将此引脚设置为高电平 10µs，传感器将启动超声波脉冲。

当超声波脉冲发射时，Echo 引脚变为高电平，并保持高电平直到传感器接收到回声，之后变为低电平。通过测量 Echo 引脚保持高电平的时间，可以计算出距离。GND 是接地引脚。可以将其连接到Raspberry Pi 的接地。

HC-SR04 超声波距离传感器如何工作？

当触发引脚设置为高电平 10µs 时，一切就开始了。作为响应，传感器以 40 kHz 的频率发射八个脉冲的超声波脉冲。这种 8 脉冲模式经过特殊设计，以便接收器能够区分发射脉冲和环境超声波噪声。

这八个超声波脉冲通过空气传播，远离发射器。同时，回声引脚变为高电平以启动回声信号。如果这些脉冲没有被反射回来，回波信号就会超时并在 38ms（38 毫秒）后变低。因此，38ms 的脉冲表示传感器范围内没有障碍物。

如果这些脉冲被反射回来，回声引脚在收到信号后会立即变低。这会在回声引脚上产生一个脉冲，其宽度从 150 µs 到 25 ms 不等，具体取决于接收信号所需的时间。

计算距离

接收脉冲的宽度用于计算与反射物体的距离。这可以使用我们在高中学到的简单的距离-速度-时间方程来计算。记住这个方程的一个简单方法是将字母放在三角形中。

让我们举个例子来更清楚一点。假设我们在传感器前面有一个距离未知的物体，我们在回声引脚上接收到一个宽度为 500µs 的脉冲。现在让我们计算一下物体与传感器之间的距离。为此，我们将使用以下公式。

距离 = 速度 x 时间

这里我们有时间值，即 500 µs，我们知道速度。当然是声速！它是 340 m/s。要计算距离，我们需要将声速转换为 cm/µs。它是 0.034 cm/μs。有了这些信息，我们现在可以计算距离了！

距离 = 0.034 cm/µs x 500 µs

但我们还没有完成！请记住，回声脉冲表示信号发送和反射回来所需的时间。因此，要得到距离，您必须将结果除以二。

距离 = (0.034 cm/µs x 500 µs) / 2 = 8.5cm

接线

将 HC-SR04 连接到Pi 非常简单。将 VCC 引脚连接到 Pi的 5V 引脚，将 GND 引脚连接到接地引脚。现在将触发和回声引脚分别连接到GPIO引脚23和24。

使用gpiozero库，输入以下代码：

from gpiozero import DistanceSensor
from time import sleep

# Initialize the HC-SR04 sensor
sensor = DistanceSensor(echo=24, trigger=23)

print("Ultrasonic sensor initialized. Measuring distance...")

try:
    while True:
        # Get distance in meters and convert to centimeters
        distance_mm = sensor.distance * 1000
        print(f"Distance: {distance_mm:.2f} mm")
        sleep(0.5)  # Delay between readings
except KeyboardInterrupt:
    print("\nMeasurement stopped by user.")
finally:
    sensor.close()
    print("Sensor resources released.")

运行结果示意(用手靠近远离传感器）：

有哪些局限性？

HC-SR04 超声波传感器在精度和整体可用性方面确实非常出色，尤其是与其他低成本超声波传感器相比。这并不意味着 HC-SR04 传感器将会一直很好地工作。下图显示了 HC-SR04 的一些局限性：

• 传感器与物体/障碍物之间的距离大于4米(13ft)。

• 物体的反射面角度较小，因此声音不会反射回传感器。

• 物体太小，无法将足够多的声音反射回传感器。另外，如果您的 HC-SR04 传感器安装在设备上较低位置，则可能接收到从地板反射的声音。

• 一些表面柔软、不规则的物体（例如毛绒动物）会吸收声音而不是反射声音，因此 HC-SR04 传感器可能难以检测到此类物体。