【单片机毕业设计模块选型】超声波传感器原理解析与读取方法详解

超声波传感器：原理解析与读取方法详解

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【开源】STM32+HCSR04超声波测距模块

在工业检测、智能机器人、倒车雷达等众多领域，超声波传感器凭借其非接触式测量、不受光照与颜色影响、测量精度较高等优势，成为一种广泛应用的感知设备。它通过发射和接收超声波，实现对距离、液位、厚度等物理量的检测，其核心工作逻辑围绕 “声波传播” 与 “信号转换” 展开，而读取方法则直接决定了测量数据的准确性与稳定性。

一、超声波传感器的工作原理

超声波传感器的本质是利用超声波的物理特性（频率高于 20kHz，人耳无法感知）完成信号传递与数据计算，整个过程可分为 “发射 - 传播 - 接收 - 计算” 四个核心阶段，具体原理如下：

1. 超声波的发射：电信号向声波信号的转换

传感器内部包含超声波发射器（通常为压电陶瓷片），当外部控制器（如单片机、PLC）向发射器输入一定频率的电信号（一般与超声波频率匹配，常见 40kHz）时，压电陶瓷片在电场作用下发生高频机械振动。这种振动会推动周围空气介质产生疏密交替的波动，形成超声波并向空间中定向传播。

值得注意的是，发射器的振动频率需严格控制 —— 频率过高会导致声波衰减过快（影响测量距离），频率过低则易受环境噪音干扰（降低测量精度），因此 40kHz 是民用与工业场景中平衡 “传播距离” 与 “抗干扰性” 的常用频率。

2. 超声波的传播：在介质中的运动规律

发射后的超声波以恒定速度在介质中传播（在标准大气压、25℃的空气中，传播速度约为 340m/s），其传播过程遵循两大关键特性：

• 直线传播特性：超声波在均匀介质中（如无强气流的空气）近似沿直线传播，极少发生绕射，这是传感器实现 “定向测量” 的基础；

• 反射特性：当超声波遇到不同介质的界面（如物体表面、液面）时，会发生反射，形成 “回声”—— 这是传感器能够检测物体存在及距离的核心原理。

  此外，超声波的传播速度会受介质温度、湿度、气压等因素影响（例如温度每升高 1℃，空气中的声速约增加 0.6m/s），这也是后续读取数据时需要考虑 “环境补偿” 的重要原因。

3. 超声波的接收：声波信号向电信号的转换

传感器内部与发射器配对的超声波接收器（同样为压电陶瓷片）会接收反射回来的 “回声”。当超声波作用于接收器的压电陶瓷片时，会引起陶瓷片的机械振动，而压电材料的 “压电效应” 会将这种机械振动转换为微弱的电信号（电压信号）。

由于接收到的电信号通常较为微弱，且可能包含环境噪音（如其他高频声波干扰），传感器内部会集成 “信号放大电路” 和 “滤波电路”—— 前者将微弱信号放大到可被控制器识别的范围，后者则过滤掉无关噪音，保留与发射超声波频率一致的有效信号，确保后续数据处理的准确性。

4. 距离计算：基于 “时间差” 的核心逻辑

控制器通过记录 “超声波发射时刻” 与 “接收回声时刻” 之间的时间差（Δt），结合超声波在介质中的传播速度（v），即可根据物理公式计算出传感器与被测物体之间的距离（d）。

需要注意的是，超声波从发射器到物体再反射回接收器，走过的是 “往返路程”，因此实际距离计算公式为：

d = (v × Δt) / 2

例如，若时间差 Δt 为 10ms（0.01s），声速 v 为 340m/s，则距离 d = (340 × 0.01) / 2 = 1.7m，即传感器与被测物体相距 1.7 米。

二、超声波传感器的读取方法

“读取” 的核心是通过外部设备（如单片机、PLC、嵌入式系统）获取传感器输出的有效信号，并计算出最终的测量数据（如距离）。根据传感器的输出类型不同，读取方法可分为 “数字信号读取” 和 “模拟信号读取” 两类，具体流程与要点如下：

1. 数字信号读取：适用于 “带信号处理功能” 的传感器

市面上多数商用超声波传感器（如常见的 HC-SR04、US-100）属于 “数字型传感器”—— 传感器内部已完成信号发射、接收、放大、滤波及时间差计算，最终向外部输出标准的数字信号（如脉冲信号、I2C 信号、UART 信号），外部控制器只需通过对应的接口读取信号并解析即可。以最常用的 “脉冲信号输出” 为例，读取流程如下：

（1）硬件连接：建立控制器与传感器的通信

数字型超声波传感器通常包含 4 个核心引脚（以 HC-SR04 为例）：

• VCC：电源引脚，通常接入 5V 直流电源（需注意传感器的额定电压，避免过载烧毁）；

• GND：接地引脚，需与控制器的 GND 共地，确保信号参考电位一致，避免干扰；

• Trig（触发引脚）：由控制器输出 “触发信号”，用于启动传感器发射超声波；

• Echo（回声引脚）：由传感器输出 “回声信号”，用于反馈超声波的传播时间差。

连接时需注意：Trig 引脚需连接控制器的 “数字输出引脚”（可控制电平高低），Echo 引脚需连接控制器的 “数字输入引脚”（可检测电平变化并计时）；若传感器与控制器之间距离较远（超过 1 米），建议在引脚线路中增加 “上拉电阻”（如 1kΩ~10kΩ），防止信号衰减导致误判。

（2）触发信号发送：启动传感器工作

控制器通过 Trig 引脚向传感器发送一个 “短时间高电平脉冲”（通常为 10μs 以上的高电平），作为 “发射超声波” 的触发指令。例如，在单片机编程中，可通过设置 Trig 引脚为高电平并保持 10μs，再拉回低电平 —— 传感器检测到该触发信号后，会自动完成一次超声波的发射与接收。

（3）回声信号读取：获取时间差

传感器发射超声波后，会立即将 Echo 引脚置为高电平；当接收器接收到回声后，再将 Echo 引脚置为低电平。因此，Echo 引脚输出的 “高电平持续时间” 恰好等于超声波的 “往返传播时间（Δt）”。

控制器只需通过 “定时器” 记录 Echo 引脚从 “高电平开始” 到 “高电平结束” 的时间间隔，即可直接获取 Δt。例如，单片机可开启定时器，在检测到 Echo 引脚变为高电平时启动计时，检测到 Echo 引脚变为低电平时停止计时，定时器的计数结果经换算后即为 Δt。

（4）数据计算与补偿：得到准确距离

根据前文提到的公式 d = (v × Δt) / 2，代入 v（声速）和 Δt（时间差）即可计算距离。但需注意 “声速补偿”—— 由于声速受温度影响较大，若测量场景温度变化明显（如工业车间、户外），需通过以下方式修正声速：

• 方法 1：在传感器附近加装温度传感器，实时读取环境温度 T（单位：℃），通过公式 v = 331.4 + 0.6×T 计算实际声速（例如 T=25℃时，v=331.4+0.6×25=346.4m/s）；

• 方法 2：若场景温度稳定，可直接使用该环境下的固定声速值（如室内 25℃时取 340m/s），简化计算。

2. 模拟信号读取：适用于 “无内置信号处理” 的传感器

部分工业级超声波传感器（如某些高精度液位传感器）属于 “模拟型传感器”—— 传感器仅完成超声波的发射与接收，输出的是未经处理的 “模拟电压信号”（或电流信号，如 4-20mA），需外部控制器通过 “模拟量采集模块” 对信号进行处理后，才能计算出测量数据。其读取流程如下：

（1）硬件连接：模拟量采集的关键配置

模拟型传感器的核心引脚通常包括 VCC、GND 和 Analog Out（模拟输出引脚）。连接时需注意：

• 模拟输出引脚需连接控制器的 “模拟输入引脚”（或外置的模拟量采集卡，如 ADC 模块），且线路需使用 “屏蔽线”，避免受到外界电磁干扰（如电机、变频器产生的干扰）；

• 若传感器输出为电流信号（如 4-20mA），需确保控制器或采集模块支持电流信号输入，或通过 “采样电阻”（如 250Ω）将电流信号转换为电压信号（4-20mA 对应 1-5V 电压）后再输入。

（2）模拟信号采集：将电压信号转换为数字量

控制器通过 “模数转换器（ADC）” 将传感器输出的模拟电压信号（如 0-5V）转换为数字信号（如 8 位、12 位二进制数）。ADC 的 “分辨率” 直接影响信号采集精度 —— 例如，12 位 ADC 在输入电压范围 0-5V 时，分辨率为 5V / 2¹² = 5V / 4096 ≈ 1.22mV，即电压每变化 1.22mV，ADC 输出的数字量就变化 1，分辨率越高，采集的信号越精确。

（3）信号处理：过滤噪音与线性化

由于模拟信号易受干扰，采集到的数字量可能包含 “波动噪音”，需通过 “数字滤波算法”（如滑动平均滤波、卡尔曼滤波）平滑数据 —— 例如，连续采集 10 次数字量，去除最大值和最小值后取平均值，可有效减少偶然干扰的影响。

此外，部分模拟型传感器的 “输出电压” 与 “测量距离” 并非严格线性关系（即电压随距离变化的曲线不是直线），需通过 “线性化处理” 修正：例如，根据传感器手册提供的 “电压 - 距离校准曲线”，建立拟合公式（如一次函数或二次函数），将采集到的电压值代入公式，得到准确的距离数据。

（4）数据换算与输出：完成读取闭环

最后，将处理后的数字量根据 ADC 的输入范围和传感器的测量范围进行换算，得到实际的物理量（如距离、液位高度）。例如，某模拟型传感器的测量范围为 0-5 米，对应输出电压为 0-5V，若 ADC 采集到的电压为 2.5V，则对应的距离为 (2.5V / 5V) × 5m = 2.5m；若传感器输出为 4-20mA（对应 0-5 米），采集到的电流为 12mA，则距离为 [(12mA - 4mA) / (20mA - 4mA)] × 5m = 2.5m。

三、读取过程中的关键注意事项

无论采用哪种读取方法，以下要点均会影响测量结果的准确性，需重点关注：

1. 环境干扰规避：避免在强电磁环境（如靠近变频器、高压设备）或强气流环境（如风扇、通风口）中使用 —— 电磁干扰会影响信号传输，强气流会改变超声波的传播路径和速度；

2. 被测物体特性：超声波对 “柔软、多孔” 的物体（如海绵、棉花）反射率较低，可能导致接收器无法检测到回声，出现 “测量失败”；对 “倾斜角度过大” 的物体（如与传感器轴线夹角超过 15°），回声可能偏离接收器，同样影响测量；

3. 测量范围匹配：不同传感器的 “有效测量距离” 不同（如 HC-SR04 的有效距离为 2cm-4m），需选择与实际场景匹配的传感器，避免超出范围导致数据无效；

4. 定期校准：长期使用后，传感器的压电陶瓷片可能出现老化，导致发射 / 接收灵敏度下降，需定期通过 “标准距离校准法”（如用已知距离的物体作为参考）修正测量误差。