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前言

超声波测距是嵌入式里非常经典的传感器应用，倒车雷达、车位检测、障碍物预警都能看到它的身影。本次实验使用 HC‑SR04 超声波模块搭配 STM32 单片机，完成障碍物距离测量，搞懂触发、回声时序逻辑，同时分析盲区、温度、安装角度对测量精度的影响。

一、实验硬件清单

在进行本次实验之前，我们需要准备以下硬件设备：

• STM32 主控板
• HC‑SR04 超声波测距模块
• ST‑LINK 下载调试器
• 5V 供电电源
• 刻度尺（用于标定真实距离）

硬件接线

HC‑SR04 是 5V 器件，严禁直接 3.3V 供电，ECHO 输出为 5V 电平，接入 STM32 的 3.3V IO 口，建议串联 1kΩ 电阻做电平保护。

| HC‑SR04 引脚 | STM32 引脚 |功能说明
|VCC|5V|模块供电
|Trig | PA11|GPIO 推挽输出，输出≥10μs 触发高电平
| Echo |PA12 |GPIO 输入，接收回声脉冲信号
| GND | GND |单片机与模块共地，统一信号参考电位

二、核心工作原理

1. TOF 飞行时间测距

HC‑SR04 内部有两个分离探头：发射探头、接收探头，工作频率 40kHz。

1. STM32 向 Trig 引脚输出10μs 以上高电平触发脉冲；
2. 模块自动向外发射 8 组 40kHz 超声波，同时 ECHO 引脚拉高；
3. 超声波碰到障碍物反射回来，接收探头捕获回波后，ECHO 引脚拉低；
4. ECHO 高电平持续时间 t，就是超声波往返总时间。

距离计算公式：

(D=\frac{v \cdot t}{2})

• v：声速，常温 20℃约 343m/s；
• t：ECHO 高电平时间；
• ➗2：因为时间包含超声波去 + 返回两段路程。

超时机制：超过 38ms 没有收到回波，ECHO 自动拉低，代表超出量程；两次测量间隔建议大于 60ms，消除探头余振带来的数据干扰。

2. 压电效应

• 发射端：逆压电效应，电信号转换成机械振动，产生超声波；
• 接收端：正压电效应，声波振动转化为微弱电信号，模块内部放大处理输出 ECHO 电平。
  

三、关键代码逻辑说明

核心测距函数 HCSR04_GetDistance()，主要分为 5 步：输出触发脉冲、等待回声起始、定时器计时、等待回声结束、计算距离。
float HCSR04_GetDistance(void)
{
//1.产生10us触发脉冲
TRIG = 1;
delay_us(10);
TRIG = 0;

//2.等待ECHO变高，增加超时防止程序卡死
uint32_t timeout=38000;
while((ECHO==0)&&(timeout--));
if(timeout==0) return -1;

//3.开启定时器计时
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);

//4.等待ECHO变低
timeout=38000;
while((ECHO==1)&&(timeout--));
if(timeout==0){
    TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);
    return -1;
}

//5.停止定时器，读取计时时间，计算距离
TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);
float t = TIM_GetCounter(TIM2)/1000000.0f;
float distance = 343.0f * t / 2.0f;
return distance;

}

编程踩坑要点

1. Trig 必须输出≥10μs 脉冲，需要微秒级延时；
2. 必须增加超时判断，无障碍物的时候避免程序死循环卡死；
3. Echo 是 5V 信号，接入 3.3V 单片机 IO，必须做电平保护；
4. 两次测量间隔大于 60ms，消除探头余振；
5. 主循环中多次采样取平均值，抑制测量噪声抖动；
6. 返回值 -1 代表超量程，程序要做异常处理。

主循环逻辑：每隔 100ms 调用测距函数，多次采样取平均，串口输出距离数值，也可以输出到 TFT 液晶屏显示。

四、实验实测结果（室温 20℃）

真实距离 (cm) 测量距离 (cm) 绝对误差 (cm) 现象
5 无法测量 — 进入盲区，小于 2cm 无法检测
20 20.4 0.4 测量稳定
50 50.7 0.7 误差较小
100 101.1 1.1 正常小幅波动
200 202.3 2.3 距离变大误差增大
420 返回无效 — 超出模块最大 4m 量程

1. 有效量程：2cm‑400cm，有效范围内误差一般小于 ±3cm；
2. 近距离盲区：距离小于 2cm 无法测量，来自发射探头余振干扰；
3. 靠近 4m 量程上限，数据抖动明显增大；
4. 探头倾斜，反射声波偏离接收探头，会漏检或者测量值偏大；
5. 环境温度改变声速，带来系统性测量误差；
6. 海绵这类吸声材质，回波弱，容易检测失败。
   

五、误差来源 & 常见故障排查

主要误差来源

1. 盲区误差：近距离发射余振掩盖回波信号；
2. 温度带来系统误差：温度改变空气中声速，是最大误差源；
3. 探头安装角度，反射波无法回到接收端；
4. 定时器计时分辨率限制；
5. 被测物体材质，吸音材料会削弱回波。

调试踩坑

1. VCC 接 3.3V：模块不工作，必须 5V 供电；
2. 模块和单片机没有共地：信号错乱，数据乱跳；
3. 没有超时判断：无障碍物，程序直接卡死；
4. 测量间隔太短：探头余振没有消散，数据异常。

六、进阶优化思路

1. 温度补偿：外接 DS18B20 温度传感器，使用公式 (v=331.4+0.607\times T) 实时修正声速，消除温度带来的系统误差；
2. 本地可视化：LCD 屏幕实时显示距离；设置阈值，距离过小时声光报警，模拟倒车雷达；
3. 软件滤波：中值滤波算法，剔除跳变异常值，提升数据稳定性；
4. 多探头阵列：多路超声波，模拟停车场车位检测；
5. 工程改造：户外使用增加 IP65 防护、防风凝露结构。

总结

HC‑SR04 利用 TOF 飞行时间原理，通过测量超声波往返时间计算距离。Trig 负责触发，Echo 输出代表往返时间的脉冲信号。实际使用中不能忽略盲区、温度、余振的影响。软件层面做好超时保护、多次采样滤波，硬件做好电平匹配，才能得到稳定可靠的测距结果。