树莓派连接 HC-SR04 超声波传感器实战指南
在早期项目中我们介绍了温度传感器、PIR 运动模块和基本 GPIO 接口。HC-SR04 超声波测距模块因价格低廉而广受欢迎，但其 5V 输出必须降至 3.3V 以保护树莓派 GPIO。本教程将带你了解其物理原理、电路设计和 Python 代码，安全连接并使用该传感器。
所需材料
- HC-SR04 超声波传感器
- 1 kΩ 电阻
- 2 kΩ 电阻
- 跳线（公对母）
- 可选：面包板
超声波传感器工作原理
声波以压力波形式传播，频率决定音调。超声波传感器发射人耳听不见的高频声波，波遇障碍物反射返回，传感器捕捉回波。通过测量脉冲往返时间，利用声速（空气中约 343 m/s）计算距离。
HC-SR04 引脚与功能
- Vcc — 5V 电源
- GND — 地
- TRIG — 触发输入，10µs 高电平脉冲启动测量
- ECHO — 5V 输出脉冲，宽度等于回波传播时间
传感器在 ECHO 输出 5V 脉冲，从检测到回波直到准备好下一次触发。树莓派 GPIO 仅耐受 3.3V，必须分压。
分压电路
简单分压电路使用两个串联电阻。以传感器 5V ECHO 为输入，串联 1 kΩ (R1) 和 2 kΩ (R2)，在两电阻连接处可得 3.3V 输出：
Vout = Vin × (R2 / (R1 + R2))
将 1 kΩ 电阻接在 HC-SR04 ECHO 引脚与树莓派 GPIO 之间，2 kΩ 电阻从该节点接地。这样既保护树莓派，又能准确测量。
硬件接线（面包板法）
使用以下树莓派引脚：
Pin 2— 5VPin 6— GNDPin 16— GPIO 23 (TRIG)Pin 18— GPIO 24 (ECHO)
- 将 HC-SR04 引脚插入面包板：红(Vcc)、蓝(TRIG)、黄(ECHO)、黑(GND)。
- 面包板正极轨接树莓派 5V，负极轨接 GND。
- TRIG 接 GPIO 23，可直连或经面包板轨道。
- ECHO 线上：先接 1 kΩ 电阻到 HC-SR04 ECHO 引脚，再接 2 kΩ 电阻到地，GPIO 24 接在两电阻中点。
- 上电前仔细核对所有连接。
读取距离的 Python 代码
以下脚本演示如何触发传感器并解析回波脉冲宽度，计算厘米距离。
import RPi.GPIO as GPIO
import time
GPIO.setmode(GPIO.BCM)
TRIG = 23
ECHO = 24
GPIO.setup(TRIG, GPIO.OUT)
GPIO.setup(ECHO, GPIO.IN)
GPIO.output(TRIG, False)
time.sleep(2) # 等待传感器稳定
while True:
# 触发：10µs 高电平
GPIO.output(TRIG, True)
time.sleep(0.00001)
GPIO.output(TRIG, False)
# 等待回波变高
pulse_start = time.time()
while GPIO.input(ECHO) == 0:
pulse_start = time.time()
# 等待回波变低
pulse_end = time.time()
while GPIO.input(ECHO) == 1:
pulse_end = time.time()
pulse_duration = pulse_end - pulse_start
distance = pulse_duration * 17150 # 声速 cm/s
print("Distance: %0.2f cm" % distance)
time.sleep(1)
GPIO.cleanup()
运行脚本将实时显示距离读数。根据应用调整延迟或触发间隔。
安全提示
- 切勿将 HC-SR04
ECHO直接接树莓派 GPIO，必须分压。 - 树莓派和传感器应共用同一 5V 电源轨，避免电压不匹配。
- 查阅传感器数据手册确认最高工作温度和推荐负载。
遵循这些步骤，你将获得一个对树莓派安全、且适用于广泛机器人和自动化项目的超声波测距系统。
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