樹莓派31/100 - Pico連接HC-SR04超聲波傳感器，為自動避障智能小車打好基礎

neuSnail 發布于2021-10-13 09:39 / 1075人閱讀

摘要：超聲波傳感器，英文，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波，它有一個重要作用，可以提前探測到附近的物體，而且通過聲波速度，能夠推算出附近物體離傳感器的大概距離。

超聲波傳感器，英文ultrasonic sensor，既可以發射超聲波，也可以接收超聲波，它有一個重要作用，可以提前探測到附近的物體，而且通過聲波速度，能夠推算出附近物體離傳感器的大概距離。

HC-SR04是一種非常流行的、很便宜的超聲波傳感器，非常適合進行嵌入式編程的技術試驗，它是智能避障小車的一個關鍵部件，可以提前發現小車前方的障礙物，相應做出轉彎或后退的動作。

HC-SR04長的模樣見下圖，它的工作電壓為5V，據說HC-SR04P或HC-SR04+新型號可以工作在3V電壓下。

現在我們的任務是把它接入樹莓派Pico里，來感知位于它前方物體的距離。

電路連接

先觀察它的針腳，只有4個，左邊是Vcc，接5V正極，右側 GND接地。我手里的HC-SR04是5V版本的，Vcc接Pico的VBUS即可。

現在還剩下2個針腳，Trig和Echo。

Trig負責控制是否發射超聲波，如果給它高電位，則發射；如果低電位，則停止發射。這里，我們要把它接到Pico的一個GPIO引腳，讓Pico控制它，我把它直接連接到GP18引腳。

Echo的連接稍微復雜一點，Echo的英文意思是“回聲”，意思是接收超聲波信號。如果接收到超聲波，則高電位；如果沒收到，則為低電位。

重要提醒：

我的HC-SR04的工作電壓為5V，那么echo針腳的電位也相應是5V，而Pico的工作電壓為3.3V，如果直接把echo的輸出信號連接到GPIO引腳上，會超過Pico的工作電壓，有損壞Pico的可能性，所以需要做降壓處理。

網上有些教程沒有說明這個問題，把echo輸出直接連到GPIO引腳上，比如這篇文章。

一種解決方案是加入3.3V-5.5V電平轉換器，一個非常便宜的小元件，比如這篇文章。

還有一種解決方案，只需要增加2個電阻，再加上清晰的頭腦和認真的連線即可，我參考了這篇文章的說明。

用到高中物理知識，得到電阻的計算公式。我們這里的Vin=5，Vout=3.3，所以R1/R2 = 0.515，如果R1選1000歐，那么R2約為2000歐。

所以，從Echo串上一個1000Ω的電阻，接到GP26引腳，再串一個2000Ω的電阻接地，就可以有效保護Pico的引腳。最后的邏輯連線圖：

實際連接圖（電阻絲非常細，又比較長，拍攝角度不容易看清楚連接關系）：

學習原理，編寫程序

看懂代碼，需要了解一下超聲波測距的基本原理。傳感器的T端（Transmitter）發出超聲波，遇到障礙物之后，超聲波返回，被傳感器的R端（Receiver）接收到，根據時間差和聲音的速度，可以求出距離。

HC-SR04就是這樣工作的：
1）Trigger收到一個長達10us的方波后，開始發出超聲波
2）傳感器內部發出8組40KHz的方波，然后接收回聲
3）方波發送完成后，ECHO變為高電位，收到回聲的時候，ECHO為低電位

下面這段代碼，一開始的2us是把電位置零，再產生10us的方波。

trigger.low()utime.sleep_us(2)trigger.high()utime.sleep_us(10)trigger.low()

然后把ECHO處于高電位的時間段計算出來，乘以聲音的速度，由于超聲波跑了雙程，所以還要除以2，最后求出距離，這里的單位是厘米。

while echo.value() == 0:    start = utime.ticks_us()while echo.value() == 1:    end = utime.ticks_us()d = (end - start) * 0.0343 / 2

最后的所有源代碼：

from machine import Pinimport utime# 超聲波測距，單位：厘米def getDistance(trigger, echo):    # 產生10us的方波    trigger.low()    utime.sleep_us(2)    trigger.high()    utime.sleep_us(10)    trigger.low()        while echo.value() == 0:        start = utime.ticks_us()    while echo.value() == 1:        end = utime.ticks_us()    d = (end - start) * 0.0343 / 2     return d# 主程序trigger = Pin(18, Pin.OUT)echo = Pin(26, Pin.IN)while True:    distance = getDistance(trigger, echo)    print("距離：{:.2f} cm".format(distance))    utime.sleep(1)

看HC-SR04的規格說明書，它能判斷出傳感器前方15度范圍內的2厘米~5米距離的障礙物，分辨率達3毫米。

這里的計算距離的函數已經非常簡化，有時會不太準確，可以多取幾次求平均，另外，如果你對距離精度有更高的要求，那就要換其它的傳感器了。

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