树莓派31/100 - Pico连接HC-SR04超声波传感器，为自动避障智能小车打好基础

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电路连接
学习原理，编写程序

超声波传感器，英文ultrasonic sensor，既可以发射超声波，也可以接收超声波，它有一个重要作用，可以提前探测到附近的物体，而且通过声波速度，能够推算出附近物体离传感器的大概距离。

HC-SR04是一种非常流行的、很便宜的超声波传感器，非常适合进行嵌入式编程的技术试验，它是智能避障小车的一个关键部件，可以提前发现小车前方的障碍物，相应做出转弯或后退的动作。

HC-SR04长的模样见下图，它的工作电压为5V，据说HC-SR04P或HC-SR04+新型号可以工作在3V电压下。

现在我们的任务是把它接入树莓派Pico里，来感知位于它前方物体的距离。

电路连接

先观察它的针脚，只有4个，左边是Vcc，接5V正极，右侧 GND接地。我手里的HC-SR04是5V版本的，Vcc接Pico的VBUS即可。

现在还剩下2个针脚，Trig和Echo。

Trig负责控制是否发射超声波，如果给它高电位，则发射；如果低电位，则停止发射。这里，我们要把它接到Pico的一个GPIO引脚，让Pico控制它，我把它直接连接到GP18引脚。

Echo的连接稍微复杂一点，Echo的英文意思是“回声”，意思是接收超声波信号。如果接收到超声波，则高电位；如果没收到，则为低电位。

重要提醒：

我的HC-SR04的工作电压为5V，那么echo针脚的电位也相应是5V，而Pico的工作电压为3.3V，如果直接把echo的输出信号连接到GPIO引脚上，会超过Pico的工作电压，有损坏Pico的可能性，所以需要做降压处理。

网上有些教程没有说明这个问题，把echo输出直接连到GPIO引脚上，比如这篇文章。

一种解决方案是加入3.3V-5.5V电平转换器，一个非常便宜的小元件，比如这篇文章。

还有一种解决方案，只需要增加2个电阻，再加上清晰的头脑和认真的连线即可，我参考了这篇文章的说明。

用到高中物理知识，得到电阻的计算公式。我们这里的Vin=5，Vout=3.3，所以R1/R2 = 0.515，如果R1选1000欧，那么R2约为2000欧。

所以，从Echo串上一个1000Ω的电阻，接到GP26引脚，再串一个2000Ω的电阻接地，就可以有效保护Pico的引脚。最后的逻辑连线图：

实际连接图（电阻丝非常细，又比较长，拍摄角度不容易看清楚连接关系）：

学习原理，编写程序

看懂代码，需要了解一下超声波测距的基本原理。传感器的T端（Transmitter）发出超声波，遇到障碍物之后，超声波返回，被传感器的R端（Receiver）接收到，根据时间差和声音的速度，可以求出距离。

HC-SR04就是这样工作的：
1）Trigger收到一个长达10us的方波后，开始发出超声波
2）传感器内部发出8组40KHz的方波，然后接收回声
3）方波发送完成后，ECHO变为高电位，收到回声的时候，ECHO为低电位

下面这段代码，一开始的2us是把电位置零，再产生10us的方波。

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

然后把ECHO处于高电位的时间段计算出来，乘以声音的速度，由于超声波跑了双程，所以还要除以2，最后求出距离，这里的单位是厘米。

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

最后的所有源代码：

from machine import Pin
import utime

# 超声波测距，单位：厘米
def getDistance(trigger, echo):
    # 产生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("距离：{:.2f} cm".format(distance))
    utime.sleep(1)

看HC-SR04的规格说明书，它能判断出传感器前方15度范围内的2厘米~5米距离的障碍物，分辨率达3毫米。