基于HC-SR04_模塊的高精度超聲測距系統

2024年3月27日發(作者：莊聰生)

2023年第17期

ScienceandTechnology&Innovation

┃

科技與創新

2095-6835

（

2023

）

17-0057-03

文章編號：

基于HC-SR04模塊的高精度超聲測距系統

王永彬

（臨沂科技職業學院，山東臨沂276000）

摘要：研究設計了一種基于HC-SR04超聲傳感器、單片機和LCD1602液晶模塊的超聲波測距系統，并利用溫度補償

算法和單片機門控觸發精確定時中斷技術進行測距修正，保證了不同溫度環境下超聲測距的高精度。同時把測量結果實

時顯示在LCD1602液晶屏，并在達到設定安全距離時進行聲音提醒報警或驅動執行機構動作，可廣泛應用于生產線上的

物品位置檢測、汽車倒車距離安全提醒等場合。

關鍵詞：超聲測距原理；傳感器；聲速溫度修正；液晶顯示

中圖分類號：

TP274.5

文獻標志碼：

ADOI

：

10.15913/.2023.17.016

在實際生產和生活中，經常需要對距離（位置）

進行測量，以進行距離的直接提示，或者以距離為參

量進行其他物理量的計算和控制，比如計算物體的速

度。測量距離的方法有很多種，總體上看有直接測量

法（如利用尺子測量）和間接測量法（如激光測距、

紅外線測距、超聲波測距等）2種。由于超聲波波束定

向指向性強，在介質中傳播時能量損耗比較小

[1]

，特別

是在空氣、水中傳播能達到較遠的距離，因而適合利

用超聲波的這一特性進行距離的測量。利用超聲波測

距的特點是測量過程迅速和方便，并且計算簡單，測

量精度高，因此被大量應用于工業場合，比如汽車的

倒車雷達、移動機器人的位置確認等，都是超聲波測

距方式的典型應用。

350m/s，這樣就可以根據環境溫度進行超聲波測距的

溫度修正。

2超聲波測距硬件電路設計

2.1核心測距傳感器

本系統采用市面上已成熟量產的HC-SR04型集成

超聲波傳感模塊作為核心測距傳感器。

模塊總體功能介紹：該模塊可提供2～450cm距

離范圍的非接觸式測量功能，測度距離精確，精度高

達3mm，性能穩定，能與國外的SRF05、SRF02等超

聲波測距模塊相媲美。模塊包括超聲波發射器、接收

器與控制電路，可廣泛應用于距離測量、機器人避障、

防盜報警裝置等。

工作原理：①給超聲波模塊通電源。②給脈沖觸

發引腳（Trig）輸入一個維持時間不短于20μs的高電

平信號。③輸入高電平觸發信號后，模塊會自動發射8

個連續的40kHz頻率的超聲波信號，與此同時回波信

號（Echo）端的電平同步發生正跳變，即由0變為1，

此時立即同步啟動定時器開始計時。④當反射超聲波

被模塊接收到時，回波信號端的電平會發生負跳變，

即由1變為0，此時接著立即停止定時器計數，定時器

中保存的這個時間差即為超聲波由發射到返回的總時

長，它在數值上等于2倍的被測距離與聲速的比值。

⑤由于聲音在空氣中的傳播速度典型值為340m/s，則

可間接計算出所測的距離。測試距離=（高電平時間×

聲速）/2。其中，聲速為340m/s。

典型工作參數如下。

工作電壓：DC5V。

靜態電流：小于2mA。

工作電流：15mA。

工作頻率：40kHz。

·57·

1超聲波測距原理

超聲波測距原理是利用超聲波換能器的發射裝置

發出一定頻率的超聲波，超聲波遇到障礙物時就會有

反射波反射回來并被接收器接收，利用從發射到接收

的往返時間差就可以進行距離測量，這與無線電雷達

的測距原理很相似。具體實現過程是：超聲波模塊的

發射器向要進行測距的特定方向發射超聲波，在發射

開始的瞬間同步開始計時，如果沒有障礙物，超聲波

在空氣中會向前自由傳播，當途中碰到障礙物阻擋時

則會立即被反射回來，當反射波到達接收器時就立即

停止計時操作。根據經驗值知道超聲波在空氣中的自

由傳播速度約為340m/s，假設計時器記錄的超聲波發

射和接收時間差為t（單位：s），這樣就能計算出發

射點與障礙物之間的距離S（單位：m），計算公式為

S=340×t/2。此外，當測量精度要求較高時，還需要充

分考慮到溫度對超聲波速度的影響，當溫度為0℃時

超聲波速度是332m/s，20℃時是344m/s，30℃時是

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高電平輸出：5V。

低電平輸出：0V。

感應角度：不大于15°。

探測距離：2～450cm。

高精度：可達0.3cm。

該模塊是雙面貼片封裝，對外提供4個引腳，分

別是GND、Echo、Trig、+5V。GND為電源地，Echo

為接收模塊的回波信號輸出引腳，Trig為超聲波發射模

塊的外部觸發啟動信號輸入引腳，+5V是工作電源正極。

模塊集成了一片單片機，當SR04模塊上的單片機

的觸發信號輸入引腳收到大于10μs的啟動脈沖后，會

發出8個頻率為40kHz的脈沖信號，這個電脈沖信號

由超聲波模塊換能器調制轉換成超聲波音頻信號發出

后，回波信號輸出引腳同時會輸出一個高電平。超聲

波遇到障礙物返回后，回響信號狀態發生變化

[2]

，從高

電平變為低電平。因此可以根據這個回響信號的高電

平維持時間寬度來計算距離，如圖1所示。

10μs的TTL

觸發

信號

模塊內部

發出信號

3超聲波測距系統的軟件設計

首先是單片機和超聲波模塊的初始化，進行本次

測距的準備工作。接著由單片機輸出一個20μs的啟動

脈沖啟動超聲波模塊的發射，此時模塊的Echo引腳同

步輸出高電平信號，同時單片機啟動定時器開始計時

和啟動DS18B20進行實時溫度檢測，然后程序不斷檢

測查詢超聲回波信號引腳狀態，當接收到回波信號時

Echo引腳變為低電平，單片機立即關閉定時，最后的

定時時間t就是超聲波經過2倍被測距離所用的時間，

因此實際距離S=（t×340/2）m。

當測量精度要求較高時，還需要充分考慮到溫度

的不同對于超聲波速度的影響

[4]

。當溫度為0℃時超聲

波速度是332m/s，20℃時是344m/s，30℃時是

350m/s，即實際聲速v與環境溫度T

emp

大致成線性比

例關系。以溫度0℃時的聲速為基準，則實際聲速v=

（332+T

emp

×0.6）m/s，故經過溫度修正后的實際距離

為S=（t×（332+T

emp

×0.6）/2）m。而用于測距溫度

修正的溫度檢測可以利用DS18B20溫度傳感芯片

實現。

DS18B20是美信公司的一款溫度傳感器，單片機

可以通過1-Wire協議與DS18B20進行通信，最終將溫

度讀出。1-Wire總線的硬件接口很簡單，只需要把

DS18B20的數據引腳和單片機的一個I/O口接上就可

以了。

循環發出8個40kHz的脈沖

輸出回

響信號

回響電平輸出與檢測距離成正比

DS18B20通過編程，可以實現最高12位的溫度存

儲值。溫度數據是2個字節，讀取數據的時候，先讀

取到的是低字節的低位。它所表示的溫度值中，有小

數和整數兩部分。把小數和整數部分分離，在合適的

位置點上小數點即可。本設計的程序中，保留一位小

數位。

經過溫度修正后最后得到的測量距離結果，可以

通過單片機P1數據口和P3.0/P3.1控制端口，將其在

液晶模塊上實時顯示出來，第一行顯示環境溫度，第

二行顯示測量的實際距離。

圖1超聲波測距時序圖

根據圖1中回響信號的脈沖寬度，可以獲得距離

參數。計算公式為：距離=回響信號高電平時間×聲速

（精度不高直接采用340m/s）/2。

2.2主控芯片

本系統采用AT89C4051單片機作為主控芯片。它

采用dip20引腳的雙列直插式封裝，具有4K的程序存

儲空間，128字節內部RAM，2個外中斷源，2個16

位定時/計數器，1個UART串行口，16個I/O引腳，

能完全滿足控制要求，價格低，性價比高。

單片機P3.7引腳接到超聲波模塊的觸發信號輸入

引腳，P3.6引腳接到回聲信號輸出引腳，將P1口作為

LCD1602液晶模塊的數據接口，P3.0引腳作為R/W讀

寫控制，P3.1引腳作為R/S指令/數據選擇控制。由

于某些使用場合對測距精度要求較高，需要進行測距

的實時溫度修正，因此可以使用一片Dalas公司的

DS18B20單總線數字溫度傳感器進行環境溫度的實時

測量，這里用P3.3作為單片機與DS18B20的單總線接

口，最后3個芯片都需要連接上+5V電源和GND。

·58·

[3]

4超聲波測距的精度的進一步優化

在軟件實現代碼中，檢測回響信號脈沖寬度時可

以用軟件查詢的方式，即用代碼檢測與Echo引腳連接

的單片機P3.6引腳的電平變化來啟動和關閉定時器，

從而實現對時間的測量。在要求不高的測量時，這樣

做完全可以得到讓人滿意的結果。但如果系統功能擴

展得比較復雜（比如進行實時溫度補償、進行蜂鳴聲

音提示、與上位機數據通信），則系統中還需要開啟

其他多個中斷，而某些中斷函數還可能執行較長的時

間時，就可能發生這樣一種情況：當實際的回響信號

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變化時，系統正在執行某個耗時較長的中斷函數，那

么主程序中的檢測就只能等待此中斷函數執行完后才

能繼續，于是就可能造成程序檢測到回響信號變化的

時刻比實際發生的時刻要晚一些，從而會使定時器測

得的脈沖寬度值發生較大偏差，進而使計算出的距離

發生較大的偏差

[5]

。

針對此問題，可以通過靈活運用定時器T0或T1

的門控功能來解決。這里利用T0的門控功能實現高精

度的超聲波測距。具體實現方法：啟用T0門控功能

（TMOD中相應的GATE位置1），這時外部中斷引

腳INT0（P3.2）將起到實際控制T0啟停的作用，即

INT0為1時T0啟動計數，INT0為0時T0停止計數，

這樣就不需要編寫代碼來檢測超聲波回聲信號，而是

可以將回聲信號連接到INT0即P3.2引腳上，讓它自

動控制T0啟停，從而避免了軟件檢測時可能產生的偏

差，測量精度將大大提高。

度超聲波傳感器，使系統設計簡單高效，大大方便與

單片機接口。利用單片機靈活強大的實時控制和數據

運算功能，實現測量點與障礙物之間距離的實時測量

和修正功能，并在液晶模塊上直觀顯示出來測距結果，

還可以根據測量的不同距離范圍進行不同頻率的聲音

報警。同時探討了如何利用溫度測量模塊進行測距結

果的實時溫度修正，以及利用單片機定時器的門控定

時功能提高測量精度的方法，最大限度地提高測量的

準確度。

本系統設計簡易，雖然不能測量過遠的距離（5m

之外），但規模小，外圍電路簡單，調試方便，成本

低，器件更換維護容易，靈活性高，與被測量物體不

需要直接接觸，可以廣泛應用于多種場合，如汽車倒

車防撞提醒、智慧物流運動控制、建筑工地作業安全

提示、公共安防中的接近檢測、停車場安全檢測、工

農業現場中的液位測量、工件運動位置測量等，它的

推廣應用將大大便利人們的生活和提高工農業生產自

動化效率，產生良好的經濟社會效益。

5運行測試結果

將超聲波模塊通過排線與單片機主控板連接，將

液晶模塊焊接到與主控板的液晶接口，確認無誤后上

電，此時液晶模塊會顯示Test字樣。將超聲波模塊對

準一個不小于0.5m

2

的障礙物，按開始測距按鈕，超

聲波發射模塊被啟動。當發射的超聲波被反射回來由

接收器接收到時，單片機將測得的距離數據進行計算

處理并顯示在液晶模塊上。例如第一次測量后顯示距

離為0.205m，經實際用尺子測量得到的數據為

0.200m，誤差為0.5cm；第二次測量后顯示距離為

0.396m，實際用測量距離為0.400m，誤差為0.4cm；

第三次測量后顯示距離為0.603m，實際測量距離為

0.600m，誤差為0.3cm，誤差范圍在0.3～0.5cm，測

試較為準確，特別是被測試物體表面平整，并且模塊

入射角度越垂直于被測物體表面時效果更好。

參考文獻：

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李云龍，卜雄洙，趙文，等

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長春：吉林

大學，

2021.

[5]高琬佳.基于超聲阻抗法的新型液位測量傳感器關鍵技術

研究[D].太原：中北大學，2022.

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作者簡介：王永彬（1969—），男，大學本科學歷，

副教授，主要從事機電一體化、單片機傳感測控系統、

智能儀表等方面的教學科研工作。

（編輯：王霞）

6結束語

本設計基于單片機和超聲波集成傳感模塊實現對

距離的非接觸式自動測量，利用量產的成品化的高精

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（上接第56頁）

作者簡介：

徐維（1990—），女，本科，工程師，研

究方向為機場安全管理。白鵬飛，男，博士，副教授，

研究方向為應急管理與公共安全。張禹（1981—），

女，碩士，高級工程師，研究方向為安全管理和法定

自查。王明澤（1988—），男，本科，工程師，研究

方向為機場運行管理。張宇宙（1997—），男，本科，

助理工程師，研究方向為通用機場航務管理。

（編輯：丁琳）

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