嵌入式---超声波测距模块

一、核心原理：时差法测距（Time-of-Flight, ToF）

1. 超声波基本特性

   • 定义：频率高于20kHz的机械波，具有方向性好、能量集中、在空气中衰减较慢的特点。
   • 传播速度：空气中声速 ( $v$) 与温度 ( $T$) 相关，公式为：
     

2. 测距原理

   • 发射端发出超声波脉冲，接收端检测反射回波。
     

二、核心组件：超声波传感器

以常用的 HC-SR04传感器 为例（其他型号如US-100、SRF08原理类似）：

1. 硬件结构

   • 发射探头（Transmitter）：电信号转换为超声波（压电陶瓷逆压电效应）。
   • 接收探头（Receiver）：超声波转换为电信号（压电陶瓷正压电效应）。
   • 控制电路：处理触发信号和回波信号，通常集成信号放大、滤波模块。

2. 引脚功能（HC-SR04）

   • ( VCC )：5V电源
   • ( GND )：接地
   • ( TRIG )：触发信号输入（至少10μs高电平启动测距）
   • ( ECHO )：回波信号输出（高电平持续时间为($\Delta t$)）

三、工作流程

1. 触发阶段（Trig信号）

   • 主机向TRIG引脚发送 10μs以上的高电平脉冲，传感器内部触发发射电路，发出8个40kHz的超声波脉冲。

2. 等待回波（Echo信号）

   • 发射同时，传感器内部计数器开始计时，直到接收探头检测到回波或超时（通常设定为20ms，对应约3.4米距离）。
   • Echo引脚输出高电平，持续时间即为声波往返时间 ( $\Delta t$)（单位：μs）。

3. 距离计算

   • 公式：
     

四、电路连接与驱动（以Arduino为例）

1. 硬件接线

   传感器引脚	Arduino引脚
   VCC	5V
   GND	GND
   TRIG	D2
   ECHO	D3

2. 软件逻辑（伪代码）

   void measure_distance() {digitalWrite(TRIG, LOW);  // 复位delayMicroseconds(2);     // 等待复位digitalWrite(TRIG, HIGH); // 发送触发信号delayMicroseconds(10);    // 至少10μs高电平digitalWrite(TRIG, LOW); long duration = pulseIn(ECHO, HIGH); // 测量高电平时间（μs）float distance = duration * 0.017;   // 20℃时的近似计算// 精确计算需获取温度值并代入声速公式
   }
   

五、关键技术点与优化

1. 温度补偿

   • 误差来源：温度每变化1℃，声速变化约0.6m/s，10℃温差会导致约3%的测距误差。
   • 解决方案：外接温度传感器（如DS18B20），实时计算声速：
     

2. 盲区与最大测距

   • 盲区：传感器近程无法检测的区域（HC-SR04约2cm，因发射探头余震和电路响应延迟）。
   • 最大测距：受限于声波能量衰减（HC-SR04约400cm，强反射面可达更远）。
   • 优化：近程用红外传感器辅助，远程增加发射功率或使用定向探头。

3. 多径效应与噪声干扰

   • 问题：声波经多个路径反射（如墙壁、障碍物边缘），导致Echo信号提前或滞后。
   • 解决：
     • 增加信号滤波（软件中设置回波有效时间阈值）。
     • 物理上添加隔音罩或锥形声波聚焦装置。
     • 多次测量取平均（如连续测10次，滤除异常值）。

4. 精度优化

   • 时间测量：使用单片机的硬件定时器（如STM32的TIM模块）替代软件延时，提高($\Delta t$)测量精度（μs级）。
   • 温度补偿：每10秒更新一次温度值（避免频繁测量影响实时性）。
   • 信号放大：接收端增加运算放大器（如LM358），提升小信号灵敏度。

六、误差来源与应对

误差类型	原因	解决方法
时间测量误差	单片机IO响应延迟、定时器精度不足	使用高速MCU、硬件定时器捕获
声速误差	温度、湿度、气压变化（湿度影响较小，气压需在高空场景补偿）	实时温度测量、气压传感器辅助
反射面特性	反射面粗糙（漫反射）、角度过大（入射角>30°时信号弱）	选择平整反射面、增加发射功率
电路噪声	电源纹波、电磁干扰（EMI）	电源滤波、PCB布局优化（地线隔离）
同步误差	发射与接收电路不同步（多传感器场景）	分时复用、硬件同步触发

七、应用场景

1. 机器人避障：无人机、AGV小车实时检测障碍物距离（搭配多传感器融合）。
2. 工业测量：液位检测、物体高度测量（需防爆、防水传感器）。
3. 智能家居：自动门感应、扫地机器人路径规划。
4. 消费电子：手机手势识别（高端机型采用ToF摄像头，原理类似）。
5. 医疗领域：非接触式人体测温（辅助判断距离，避免误测）。

八、进阶技术：相位法与频差法（补充时差法不足）

1. 相位法

   • 测量发射波与回波的相位差，计算距离（适用于高精度短距离，如0.1mm级精度）。
     

2. 频差法

   • 发射连续调频信号，通过回波与发射信号的频率差计算距离（抗噪声能力强，适合复杂环境）。

   注：时差法因电路简单、成本低，占据主流应用；相位法和频差法用于高精度场景。

九、标准与协议（工业级应用）

1. I2C/SPI接口：高端传感器（如MaxBotix系列）支持数字接口，简化主机控制。
2. 模拟输出：部分传感器提供电压信号（如0-5V对应0-500cm），需ADC转换。
3. 同步触发：多传感器组网时，通过硬件同步线（如GPIO）避免信号串扰。

十、典型问题排查

1. Echo无信号

   • 检查接线是否松动，VCC是否稳定（5V供电，不可接3.3V）。
   • 确认反射面距离在传感器有效范围内，且表面足够平整。

2. 测距值跳变

   • 增加软件滤波（如滑动平均滤波、中值滤波）。
   • 检查周围是否有超声波干扰源（如其他传感器、电机噪声）。

3. 精度不达标

   • 确认温度补偿是否启用，传感器是否水平对准反射面。
   • 改用更高精度的时间测量方法（如STM32的输入捕获模式）。

总结

超声波测距是低成本、易实现的非接触测量方案，核心在于精准测量时间差并补偿环境因素。通过合理的硬件设计（如滤波、聚焦）和软件优化（如温度补偿、噪声处理），可满足大多数中短距离测量需求。在复杂场景中，需结合多传感器融合（如视觉、红外）进一步提升可靠性。