超声波传感器代码

种类类型 | 2025-05-24 19:22:05 | 阅读数（2021）

超声波传感器代码开发指南：从基础实现到性能优化

超声波传感器作为非接触式测距的核心元件，在机器人避障、液位监测、智能停车系统等领域广泛应用。本文将以HC-SR04等主流型号为例，深入解析传感器代码的编写逻辑，并提供可落地的优化方案，帮助开发者提升测量精度与系统稳定性。

一、硬件交互原理与代码基础

超声波传感器通过发射40kHz高频声波并接收回波，基于时间差计算物体距离。以Arduino平台驱动HC-SR04为例，代码需完成以下核心操作：

引脚初始化

配置Trig引脚为输出模式，用于触发测距信号；Echo引脚为输入模式，用于接收返回脉冲：

const int trigPin = 9;
const int echoPin = 10;
void setup() {
  pinMode(trigPin, OUTPUT);
  pinMode(echoPin, INPUT);
  Serial.begin(9600);
}

信号触发与采集

发送10μs的高电平脉冲激活传感器，随后通过pulseIn()函数捕获回波高电平持续时间：

超声波传感器代码

void loop() {
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  delayMicroseconds(2);
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  long duration = pulseIn(echoPin, HIGH);
  float distance = duration * 0.0343 / 2;
  Serial.print("Distance: ");
  Serial.println(distance);
  delay(100);
}

距离换算公式

声波在空气中的传播速度（343m/s，25℃环境）与时间差的乘积除以2，得到实际距离值。代码中0.0343表示将微秒单位转换为厘米的系数。

二、典型问题排查与代码修正

场景1：测量值波动过大

现象：静止状态下距离数据频繁跳变

解决方案：

增加均值滤波算法：连续采集5次数据，去除最大最小值后取平均

代码实现：

float getStableDistance() {
  float readings[5];
  for (int i=0; i<5; i++) {
    // 采集原始数据代码（略）
    readings[i] = distance;
    delay(20);
  }
  // 排序并取中间值
  sortArray(readings,5);
  return (readings[1]+readings[2]+readings[3])/3;
}

场景2：远距离测量失效

原因：超过传感器最大量程（HC-SR04有效测距为2cm-400cm）

应对策略：

添加超时检测：若pulseIn()返回0，则判定为超出量程

代码优化：

long duration = pulseIn(echoPin, HIGH, 30000); // 30ms超时(约5m)
if(duration == 0) {
  Serial.println("Out of range");
} else {
  // 正常计算距离
}

三、工业级代码优化技巧

温度补偿算法

声速受温度影响显著，可通过DS18B20等温度传感器获取环境数据，动态调整计算系数：

float speedOfSound = 331.4 + 0.6 * tempC; // tempC为当前摄氏度
float distance = duration * (speedOfSound / 10000) / 2;

多传感器协同策略

当系统部署多个超声波模块时，采用分时触发机制避免信号干扰：

void triggerSensor(int trigPin) {
  digitalWrite(trigPin, HIGH);
  delayMicroseconds(10);
  digitalWrite(trigPin, LOW);
  // 每个传感器触发间隔至少60ms
}

低功耗模式集成

对于电池供电设备，可通过中断唤醒+休眠模式降低能耗：

LowPower.powerDown(SLEEP_2S, ADC_OFF, BOD_OFF);
attachInterrupt(digitalPinToInterrupt(echoPin), measure, RISING);

四、扩展应用：与物联网平台对接

通过ESP32等WiFi模组，可将超声波数据上传至云平台。以下为MQTT协议上传示例：

#include <WiFi.h>
#include <PubSubCpent.h>
void pubpshDistance() {
  cpent.pubpsh("sensor/ultrasonic", String(distance).c_str());
}
void loop() {
  if (!cpent.connected()) {
    reconnectMQTT(); // MQTT重连函数
  }
  cpent.loop();
  pubpshDistance();
  delay(5000);
}