《树莓派项目实战》第六节使用超声波模块测距

news2025/7/19 12:22:55

6.1 引脚介绍

6.2 工作原理

6.3 使用注意

6.4 连接到树莓派

6.5 编写代码输出距离

在本节，我们将学习如何使用HC-SR04超声波模块测量前方障碍物的距离，该项目设计到的材料有：

树莓派 * 1
面包板 * 1
杜邦线若干
HC-SR04超声波模块* 1

6.1 引脚介绍

从上图我们可以看到超声波模块的4个引脚，它们的作用罗列如下：

1. VCC: 电源引脚，超声波模块工作电压为5伏。

2. Trig: 是Trigger(触发)这个单词的缩写，该引脚用于触发超声波脉冲。

3. Echo: 该引脚会在高电平和低电平之间转换，当检测到障碍物时，在高电平保持的时间就表示信号发射出去并反射回来的时间。

4. GND: 接地引脚。

6.2 工作原理

如果超声波模块前方没有障碍物，约4米），那当Trig引脚发射10μs的超声波脉冲后，Echo引脚会开始产生一个高电平并持续38毫秒，之后就会处于低电平状态，所以当得到38ms这个值时，我们就知道前方没有检测到障碍物了。

如果前方有障碍物，那在Trig引脚发射10μs的超声波脉冲后，信号就会反射回来，Echo引脚就会在接收到信号时立即切换到低电平状态，此时Echo引脚在高电平状态保持的时间就是信号发射并返回的所花的时间。

我们知道距离=速度 * 时间，要求出超声波模块到障碍物之间的距离，我们就需要知道速度和时间。速度就是340m/s，也就是声音在空气中传播的速度，转换城cm/μs单位就是0.034 cm/μs。时间的话，由于我们得到的是信号从发射到返回的时间值，所以需要除以2。

最终得到的计算公式为距离 = 0.034 cm/μs * 时间(μs) / 2

6.3 使用注意

以下情况可能会导致距离检测失败：

1. 目标障碍物太小。

2. 目标障碍物距离太远，超过13英尺（大约4米）。

3. 发射的信号以一定倾斜角度（小于45°）接触目标障碍物，导致信号无法被反射回来，如下图所示。

4. 目标障碍物材质特殊（比如毛绒玩具），可能会吸收信号，而不是将反射回来。

6.4 连接到树莓派

我们将超声波模块插到面包板上，然后连接引脚：

VCC引脚连到树莓派的2号5V引脚。
Trig引脚连到树莓派的16号GPIO引脚。
Echo引脚连到树莓派的18号GPIO引脚。
GND引脚连到树莓派的14号Ground引脚。

6.5 编写代码输出距离

import time
import RPi.GPIO as GPIO


# 设置编码方式
GPIO.setmode(GPIO.BOARD)

# 设置Trig和Echo的引脚编号
Trig = 16
Echo = 18

# 设置引脚模式
GPIO.setup(Trig, GPIO.OUT)
GPIO.setup(Echo, GPIO.IN)

def get_distance():
    # Trigh引脚发射10μs的超声波脉冲
    GPIO.output(Trig, GPIO.HIGH)
    time.sleep(0.1)
    GPIO.output(Trig, GPIO.LOW)

    # Echo引脚检测反射信号
    while GPIO.input(Echo) == GPIO.LOW:
        start_time = time.time()

    while GPIO.input(Echo) == GPIO.HIGH:
        end_time = time.time()
    
    # 持续时间大于38毫秒的话
    # 就表明前方无障碍物或者障碍物太远
    duration = (end_time - start_time)
    if duration * 1000 > 38:            # 将秒转换成毫秒
        return
    
    # 返回以cm为单位的距离值
    return 0.034*duration*1000000/2    # 将秒转换成微秒


if __name__ == "__main__":
    try:
        while True:
            distance = get_distance()
            if distance:
                print(f"障碍物距离是{distance:.2f}cm")
            else:
                print("前方无障碍物或障碍物离得太远！")
    except KeyboardInterrupt:
        print("停止检测")
        GPIO.cleanup()

我们重点来看下get_distance()函数。在发射了10μs的信号后，我们就分别通过start_time和end_time两个变量记录Echo引脚处于高电平状态的开始和结束时间。接着，将start_time减去end_time得到信号从发射到回来的时间间隔（单位：秒），保存到duration变量中。如果duration的值大于38毫秒，那么就表明前方没有障碍物或者障碍物离得太远；否则的话就通过0.034*duration*1000000/2计算得到目标障碍物的距离（单位：厘米）。

运行截图如下：