基于HC-SR04_模块的高精度超声测距系统

2024年3月27日发(作者：庄聪生)

2023年第17期

ScienceandTechnology&Innovation

┃

科技与创新

2095-6835

（

2023

）

17-0057-03

文章编号：

基于HC-SR04模块的高精度超声测距系统

王永彬

（临沂科技职业学院，山东临沂276000）

摘要：研究设计了一种基于HC-SR04超声传感器、单片机和LCD1602液晶模块的超声波测距系统，并利用温度补偿

算法和单片机门控触发精确定时中断技术进行测距修正，保证了不同温度环境下超声测距的高精度。同时把测量结果实

时显示在LCD1602液晶屏，并在达到设定安全距离时进行声音提醒报警或驱动执行机构动作，可广泛应用于生产线上的

物品位置检测、汽车倒车距离安全提醒等场合。

关键词：超声测距原理；传感器；声速温度修正；液晶显示

中图分类号：

TP274.5

文献标志码：

ADOI

：

10.15913/.2023.17.016

在实际生产和生活中，经常需要对距离（位置）

进行测量，以进行距离的直接提示，或者以距离为参

量进行其他物理量的计算和控制，比如计算物体的速

度。测量距离的方法有很多种，总体上看有直接测量

法（如利用尺子测量）和间接测量法（如激光测距、

红外线测距、超声波测距等）2种。由于超声波波束定

向指向性强，在介质中传播时能量损耗比较小

[1]

，特别

是在空气、水中传播能达到较远的距离，因而适合利

用超声波的这一特性进行距离的测量。利用超声波测

距的特点是测量过程迅速和方便，并且计算简单，测

量精度高，因此被大量应用于工业场合，比如汽车的

倒车雷达、移动机器人的位置确认等，都是超声波测

距方式的典型应用。

350m/s，这样就可以根据环境温度进行超声波测距的

温度修正。

2超声波测距硬件电路设计

2.1核心测距传感器

本系统采用市面上已成熟量产的HC-SR04型集成

超声波传感模块作为核心测距传感器。

模块总体功能介绍：该模块可提供2～450cm距

离范围的非接触式测量功能，测度距离精确，精度高

达3mm，性能稳定，能与国外的SRF05、SRF02等超

声波测距模块相媲美。模块包括超声波发射器、接收

器与控制电路，可广泛应用于距离测量、机器人避障、

防盗报警装置等。

工作原理：①给超声波模块通电源。②给脉冲触

发引脚（Trig）输入一个维持时间不短于20μs的高电

平信号。③输入高电平触发信号后，模块会自动发射8

个连续的40kHz频率的超声波信号，与此同时回波信

号（Echo）端的电平同步发生正跳变，即由0变为1，

此时立即同步启动定时器开始计时。④当反射超声波

被模块接收到时，回波信号端的电平会发生负跳变，

即由1变为0，此时接着立即停止定时器计数，定时器

中保存的这个时间差即为超声波由发射到返回的总时

长，它在数值上等于2倍的被测距离与声速的比值。

⑤由于声音在空气中的传播速度典型值为340m/s，则

可间接计算出所测的距离。测试距离=（高电平时间×

声速）/2。其中，声速为340m/s。

典型工作参数如下。

工作电压：DC5V。

静态电流：小于2mA。

工作电流：15mA。

工作频率：40kHz。

·57·

1超声波测距原理

超声波测距原理是利用超声波换能器的发射装置

发出一定频率的超声波，超声波遇到障碍物时就会有

反射波反射回来并被接收器接收，利用从发射到接收

的往返时间差就可以进行距离测量，这与无线电雷达

的测距原理很相似。具体实现过程是：超声波模块的

发射器向要进行测距的特定方向发射超声波，在发射

开始的瞬间同步开始计时，如果没有障碍物，超声波

在空气中会向前自由传播，当途中碰到障碍物阻挡时

则会立即被反射回来，当反射波到达接收器时就立即

停止计时操作。根据经验值知道超声波在空气中的自

由传播速度约为340m/s，假设计时器记录的超声波发

射和接收时间差为t（单位：s），这样就能计算出发

射点与障碍物之间的距离S（单位：m），计算公式为

S=340×t/2。此外，当测量精度要求较高时，还需要充

分考虑到温度对超声波速度的影响，当温度为0℃时

超声波速度是332m/s，20℃时是344m/s，30℃时是

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高电平输出：5V。

低电平输出：0V。

感应角度：不大于15°。

探测距离：2～450cm。

高精度：可达0.3cm。

该模块是双面贴片封装，对外提供4个引脚，分

别是GND、Echo、Trig、+5V。GND为电源地，Echo

为接收模块的回波信号输出引脚，Trig为超声波发射模

块的外部触发启动信号输入引脚，+5V是工作电源正极。

模块集成了一片单片机，当SR04模块上的单片机

的触发信号输入引脚收到大于10μs的启动脉冲后，会

发出8个频率为40kHz的脉冲信号，这个电脉冲信号

由超声波模块换能器调制转换成超声波音频信号发出

后，回波信号输出引脚同时会输出一个高电平。超声

波遇到障碍物返回后，回响信号状态发生变化

[2]

，从高

电平变为低电平。因此可以根据这个回响信号的高电

平维持时间宽度来计算距离，如图1所示。

10μs的TTL

触发

信号

模块内部

发出信号

3超声波测距系统的软件设计

首先是单片机和超声波模块的初始化，进行本次

测距的准备工作。接着由单片机输出一个20μs的启动

脉冲启动超声波模块的发射，此时模块的Echo引脚同

步输出高电平信号，同时单片机启动定时器开始计时

和启动DS18B20进行实时温度检测，然后程序不断检

测查询超声回波信号引脚状态，当接收到回波信号时

Echo引脚变为低电平，单片机立即关闭定时，最后的

定时时间t就是超声波经过2倍被测距离所用的时间，

因此实际距离S=（t×340/2）m。

当测量精度要求较高时，还需要充分考虑到温度

的不同对于超声波速度的影响

[4]

。当温度为0℃时超声

波速度是332m/s，20℃时是344m/s，30℃时是

350m/s，即实际声速v与环境温度T

emp

大致成线性比

例关系。以温度0℃时的声速为基准，则实际声速v=

（332+T

emp

×0.6）m/s，故经过温度修正后的实际距离

为S=（t×（332+T

emp

×0.6）/2）m。而用于测距温度

修正的温度检测可以利用DS18B20温度传感芯片

实现。

DS18B20是美信公司的一款温度传感器，单片机

可以通过1-Wire协议与DS18B20进行通信，最终将温

度读出。1-Wire总线的硬件接口很简单，只需要把

DS18B20的数据引脚和单片机的一个I/O口接上就可

以了。

循环发出8个40kHz的脉冲

输出回

响信号

回响电平输出与检测距离成正比

DS18B20通过编程，可以实现最高12位的温度存

储值。温度数据是2个字节，读取数据的时候，先读

取到的是低字节的低位。它所表示的温度值中，有小

数和整数两部分。把小数和整数部分分离，在合适的

位置点上小数点即可。本设计的程序中，保留一位小

数位。

经过温度修正后最后得到的测量距离结果，可以

通过单片机P1数据口和P3.0/P3.1控制端口，将其在

液晶模块上实时显示出来，第一行显示环境温度，第

二行显示测量的实际距离。

图1超声波测距时序图

根据图1中回响信号的脉冲宽度，可以获得距离

参数。计算公式为：距离=回响信号高电平时间×声速

（精度不高直接采用340m/s）/2。

2.2主控芯片

本系统采用AT89C4051单片机作为主控芯片。它

采用dip20引脚的双列直插式封装，具有4K的程序存

储空间，128字节内部RAM，2个外中断源，2个16

位定时/计数器，1个UART串行口，16个I/O引脚，

能完全满足控制要求，价格低，性价比高。

单片机P3.7引脚接到超声波模块的触发信号输入

引脚，P3.6引脚接到回声信号输出引脚，将P1口作为

LCD1602液晶模块的数据接口，P3.0引脚作为R/W读

写控制，P3.1引脚作为R/S指令/数据选择控制。由

于某些使用场合对测距精度要求较高，需要进行测距

的实时温度修正，因此可以使用一片Dalas公司的

DS18B20单总线数字温度传感器进行环境温度的实时

测量，这里用P3.3作为单片机与DS18B20的单总线接

口，最后3个芯片都需要连接上+5V电源和GND。

·58·

[3]

4超声波测距的精度的进一步优化

在软件实现代码中，检测回响信号脉冲宽度时可

以用软件查询的方式，即用代码检测与Echo引脚连接

的单片机P3.6引脚的电平变化来启动和关闭定时器，

从而实现对时间的测量。在要求不高的测量时，这样

做完全可以得到让人满意的结果。但如果系统功能扩

展得比较复杂（比如进行实时温度补偿、进行蜂鸣声

音提示、与上位机数据通信），则系统中还需要开启

其他多个中断，而某些中断函数还可能执行较长的时

间时，就可能发生这样一种情况：当实际的回响信号

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变化时，系统正在执行某个耗时较长的中断函数，那

么主程序中的检测就只能等待此中断函数执行完后才

能继续，于是就可能造成程序检测到回响信号变化的

时刻比实际发生的时刻要晚一些，从而会使定时器测

得的脉冲宽度值发生较大偏差，进而使计算出的距离

发生较大的偏差

[5]

。

针对此问题，可以通过灵活运用定时器T0或T1

的门控功能来解决。这里利用T0的门控功能实现高精

度的超声波测距。具体实现方法：启用T0门控功能

（TMOD中相应的GATE位置1），这时外部中断引

脚INT0（P3.2）将起到实际控制T0启停的作用，即

INT0为1时T0启动计数，INT0为0时T0停止计数，

这样就不需要编写代码来检测超声波回声信号，而是

可以将回声信号连接到INT0即P3.2引脚上，让它自

动控制T0启停，从而避免了软件检测时可能产生的偏

差，测量精度将大大提高。

度超声波传感器，使系统设计简单高效，大大方便与

单片机接口。利用单片机灵活强大的实时控制和数据

运算功能，实现测量点与障碍物之间距离的实时测量

和修正功能，并在液晶模块上直观显示出来测距结果，

还可以根据测量的不同距离范围进行不同频率的声音

报警。同时探讨了如何利用温度测量模块进行测距结

果的实时温度修正，以及利用单片机定时器的门控定

时功能提高测量精度的方法，最大限度地提高测量的

准确度。

本系统设计简易，虽然不能测量过远的距离（5m

之外），但规模小，外围电路简单，调试方便，成本

低，器件更换维护容易，灵活性高，与被测量物体不

需要直接接触，可以广泛应用于多种场合，如汽车倒

车防撞提醒、智慧物流运动控制、建筑工地作业安全

提示、公共安防中的接近检测、停车场安全检测、工

农业现场中的液位测量、工件运动位置测量等，它的

推广应用将大大便利人们的生活和提高工农业生产自

动化效率，产生良好的经济社会效益。

5运行测试结果

将超声波模块通过排线与单片机主控板连接，将

液晶模块焊接到与主控板的液晶接口，确认无误后上

电，此时液晶模块会显示Test字样。将超声波模块对

准一个不小于0.5m

2

的障碍物，按开始测距按钮，超

声波发射模块被启动。当发射的超声波被反射回来由

接收器接收到时，单片机将测得的距离数据进行计算

处理并显示在液晶模块上。例如第一次测量后显示距

离为0.205m，经实际用尺子测量得到的数据为

0.200m，误差为0.5cm；第二次测量后显示距离为

0.396m，实际用测量距离为0.400m，误差为0.4cm；

第三次测量后显示距离为0.603m，实际测量距离为

0.600m，误差为0.3cm，误差范围在0.3～0.5cm，测

试较为准确，特别是被测试物体表面平整，并且模块

入射角度越垂直于被测物体表面时效果更好。

参考文献：

[1]

[2]

李云龙，卜雄洙，赵文，等

.

新型嵌入式超声波测距系统

[J].

仪表技术与传感器，

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王小华，周松青，殷严刚.基于温度补偿的超声波测距系

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[3]蔡贵祥.基于MEMS压电超声换能器的超声测距系统设计

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基于

FPGA

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长春：吉林

大学，

2021.

[5]高琬佳.基于超声阻抗法的新型液位测量传感器关键技术

研究[D].太原：中北大学，2022.

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作者简介：王永彬（1969—），男，大学本科学历，

副教授，主要从事机电一体化、单片机传感测控系统、

智能仪表等方面的教学科研工作。

（编辑：王霞）

6结束语

本设计基于单片机和超声波集成传感模块实现对

距离的非接触式自动测量，利用量产的成品化的高精

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（上接第56页）

作者简介：

徐维（1990—），女，本科，工程师，研

究方向为机场安全管理。白鹏飞，男，博士，副教授，

研究方向为应急管理与公共安全。张禹（1981—），

女，硕士，高级工程师，研究方向为安全管理和法定

自查。王明泽（1988—），男，本科，工程师，研究

方向为机场运行管理。张宇宙（1997—），男，本科，

助理工程师，研究方向为通用机场航务管理。

（编辑：丁琳）

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