OrangePi ZERO 2 外设应用程序开发之超声波模块（HC-SR04）

使用 HC-SR04 超声波距离传感器可以实现测距的功能，该传感器可以测量最远 13 英尺内（约为 3.96 米）的物体范围。它们具有低功耗（适用于电池供电的设备），价格低廉，易于连接以及在业余爱好者中疯狂流行的特点。另外，它甚至看起来很酷，就像一双 Walle 机器人的眼睛。

一、HC-SR04 硬件概述

HC-SR04 超声波距离传感器的核心是两个超声波传感器。一个用作发射器，将电信号转换为 40 KHz 超声波脉冲。一个是接收器，监听发射后被障碍物反弹回来的超声波。如果接收到返回的超声波，它将产生一个输出脉冲，其宽度可用于确定脉冲传播的距离。

1. 技术规范（Technical Specifications）

2. HC-SR04 超声波传感器引脚

VCC为 HC-SR04 超声波传感器供电，一般接 5V 电压。GND是接地引脚。

Trig (Trigger) 引脚用于触发超声波脉冲，通过将该引脚设置为HIGH（高）10µs，传感器启动超声波发射。当发送超声波脉冲串时，Echo引脚变高，并保持高电平，直到传感器接收到回声，然后变低。通过测量Echo引脚保持高位的时间计算距离。

二、HC-SR04 超声波距离传感器如何工作？

当Trig引脚设置为高电平达 10µs 时，超声波距离传感器开始工作。随后传感器以 40KHz 发送八个超声波脉冲。这八个脉冲模式是专门设计的，使得接收器可以将发射的超声波与环境噪声区分开来。这八个超声波脉冲在远离发射器的空气中传播。同时，Echo引脚变为高电平，以接收回波返回信号。如果这些脉冲没有被反射回来，Echo信号就会超时，并在 38ms 后变为低电平。因此，38ms 的脉冲表示在传感器的范围内没有障碍物。

如果这些超声波脉冲被反射回来，那么一旦接收到信号，Echo引脚就会变低。这会在Echo引脚上产生一个宽度从 150µs 到 25ms 不等的脉冲，具体取决于接收信号所需的时间。

三、距离计算

接收脉冲的宽度用于计算与反射物体的距离。这可以用我们在中学就学到的距离-速度-时间方程来计算。假设我们在传感器前面有一个未知距离的物体，并且我们在Echo引脚上接收到 500µs 宽度的脉冲。为此，我们将使用以下等式：
$$Distance=Speed\ast Time$$
时间值即 500µs，速度是声速，速度为340 m/s。为了计算时比较贴合我们的常用单位，我将声速的单位转换为 cm/µs，也就是为 0.034 cm/μs。那么具体计算过程如下：
$$Distance=0.034cm/\mu s\ast 500\mu s$$
但是还没有结束！请记住，回波脉冲表示信号被发送和反射回来所需的时间。因此上述公式得到的结果还需要除以 2，才是正确的距离。
$$Distance=(0.034cm/\mu s\ast 500\mu s)/2$$
用上述公式计算，我们知道物体距离传感器 8.5 厘米。

四、与 OrangePi ZERO 2 接线并用代码实现测距

1. 硬件接线

了解了 HC-SR04 超声波传感器的工作原理后，就可以将 HC-SR04 连接到 OrangePi ZERO 2 上了。将VCC引脚连接到 OrangePi ZERO 2 上的5V引脚，将GND引脚连接至 OrangePi ZERO 2 上的GND引脚，将Trig引脚接到 26 Pin 引脚的 11 号引脚，将Echo引脚接到 26 Pin 引脚的 13 号引脚。

具体接线如下图所示。