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tags: Raspberry Pi
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建立时间：20240920
更新时间：20240920

[成果影片](https://youtu.be/mKbwCONllsU)

# Raspberry Pi 4 连接 HC-SR04 超音波測距/ 避障模組超聲波傳感器

## 图片
1.HC-SR04
2.Raspberry Pi 4
3.Raspberry Pi 4 GPIO
### 硬体接线
1.总图

2.Raspberry Pi 4

3.面包版

4.HC-SR04

#### 硬体接线 更新版:202409201104
1.总图

2.Raspberry Pi 4

3.面包版

4.HC-SR04

### Raspberry Pi 4 资料结构

## 理论

### 1.raspberry pi 4 可以直接连 Hc-sr04 吗
Raspberry Pi 4 可以直接连接 HC-SR04 超声波传感器，但需要注意以下几点：

1. **电压问题**：HC-SR04 的工作电压为 5V，而 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚使用的是 3.3V 电平。HC-SR04 的 Echo 引脚输出的是 5V 的信号，直接连接到 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚可能会损坏它。你需要使用一个电压分压器（如两个电阻）或逻辑电平转换器，将 5V 的信号降到 3.3V。

2. **接线说明**：
- VCC: 连接到 Raspberry Pi 的 5V 引脚（比如 Pin 2 或 Pin 4）。
- GND: 连接到 Raspberry Pi 的 GND 引脚（比如 Pin 6）。
- Trig: 连接到 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚，比如 GPIO 23（Pin 16）。
- Echo: 通过电压分压器或逻辑电平转换器连接到 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚，比如 GPIO 24（Pin 18）。

3. **电压分压器**：
- 可以使用两个电阻（比如 1kΩ 和 2kΩ）来构建一个简单的电压分压器。将 Echo 引脚输出的 5V 信号通过电压分压器降到 3.3V，再连接到 Raspberry Pi 的 GPIO。

4. **软件控制**：
- 你可以使用 Python 编写代码来控制 HC-SR04。典型的步骤是通过 Raspberry Pi 的 GPIO 引脚发送一个 10μs 的脉冲信号给 Trig 引脚，然后测量 Echo 引脚返回的高电平持续时间，以此来计算距离。

通过这些步骤，你就可以安全地将 HC-SR04 连接到 Raspberry Pi 4 上并进行测距实验。
### 2.raspberry pi 4 运行读取 HC-SR04 的 Python 程式码
以下是一个用于 Raspberry Pi 4 的 Python 程序，能够读取 HC-SR04 超声波传感器的数据，并计算距离：

import RPi.GPIO as GPIO
import time

# 设置GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 定义引脚
TRIG = 23  # Trig 引脚连接到 GPIO 23
ECHO = 24  # Echo 引脚连接到 GPIO 24

# 设置引脚方向（IN / OUT）
GPIO.setup(TRIG, GPIO.OUT)
GPIO.setup(ECHO, GPIO.IN)

def distance():
    # 发送高电平信号到 Trig 引脚
    GPIO.output(TRIG, True)

    # 持续 10 微秒
    time.sleep(0.00001)
    GPIO.output(TRIG, False)

    # 记录发射时间
    while GPIO.input(ECHO) == 0:
        start_time = time.time()

    # 记录接收时间
    while GPIO.input(ECHO) == 1:
        stop_time = time.time()

    # 计算时间差
    time_elapsed = stop_time - start_time

    # 声速为34300 cm/s，计算距离
    distance = (time_elapsed * 34300) / 2

    return distance

try:
    while True:
        dist = distance()
        print(f"Measured Distance = {dist:.2f} cm")
        time.sleep(1)

# 清理GPIO设置
except KeyboardInterrupt:
    print("Measurement stopped by User")
    GPIO.cleanup()

#### 程序解释：

1. **设置 GPIO 模式**：
- `GPIO.setmode(GPIO.BCM)`：使用 BCM 引脚编号模式。
- `TRIG` 和 `ECHO`：分别定义为 Trig 和 Echo 引脚连接的 GPIO 编号。

2. **发送超声波脉冲**：
- `GPIO.output(TRIG, True)`：发送一个 10 微秒的高电平脉冲。
- `GPIO.output(TRIG, False)`：立即将脉冲设置为低电平。

3. **接收回波信号并计算距离**：
- 程序通过检测 Echo 引脚的高低电平变化来记录信号的发射和接收时间。
- 距离的计算公式为 `距离 = (时间差 × 声速) / 2`，声速约为 34300 cm/s。

4. **循环读取和显示距离**：
- 程序以每秒一次的频率读取并打印距离值。

5. **清理 GPIO**：
- 按 `Ctrl+C` 停止程序运行时，程序会调用 `GPIO.cleanup()` 来清理 GPIO 引脚的设置。

#### 运行代码：
将上述代码保存为 `hc_sr04.py`，然后在 Raspberry Pi 终端中运行：

python3 hc_sr04.py

程序将持续读取距离，并在终端中显示。

### 3.如何用兩個電阻 做分壓電路 將5V降為3.3V
要用兩個電阻做分壓電路將5V降為3.3V，可以使用以下公式來計算電阻的值：

#### 分壓公式

\[
V_{out} = V_{in} \times \frac{R_2}{R_1 + R_2}
\]

其中：
- \( V_{out} \) 是期望的輸出電壓（3.3V）
- \( V_{in} \) 是輸入電壓（5V）
- \( R_1 \) 是連接到電源的電阻
- \( R_2 \) 是接地的電阻

#### 計算步驟

1. **設定參數：**
- \( V_{out} = 3.3V \)
- \( V_{in} = 5V \)

2. **重排公式：**
我們可以重排公式來求出 \( R_2 / (R_1 + R_2) \)：

\[
\frac{R_2}{R_1 + R_2} = \frac{V_{out}}{V_{in}} = \frac{3.3}{5} = 0.66
\]

3. **設置比例：**
設定 \( R_1 \) 和 \( R_2 \) 的比例：

\[
R_2 = 0.66(R_1 + R_2)
\]

進一步變形得：

\[
R_2 - 0.66R_2 = 0.66R_1
\]

\[
0.34R_2 = 0.66R_1
\]

\[
\frac{R_1}{R_2} = \frac{0.34}{0.66} \approx 0.515
\]

4. **選擇電阻值：**
假設選擇 \( R_2 = 1kΩ \)，那麼：

\[
R_1 = 0.515 \times 1kΩ \approx 515Ω
\]

可以選擇標準電阻值 \( R_1 = 510Ω \)（常見標準值），然後重新計算 \( R_2 \)：

\[
\frac{R_2}{510Ω + R_2} = \frac{3.3}{5}
\]

這會給出一個非常接近的值。

#### 結論

最終，你可以使用：

- \( R_1 = 510Ω \)
- \( R_2 = 1kΩ \)

#### 連接方式

1. 將 \( R_1 \) 連接在5V電源和 \( R_2 \) 的上端。
2. 將 \( R_2 \) 的另一端接地。
3. 輸出電壓 \( V_{out} \) 將在 \( R_1 \) 和 \( R_2 \) 連接的節點上取。

這樣就可以將5V降至大約3.3V。確保測量輸出電壓來驗證結果是否符合預期！

## 遇到问题
### 1.SyntaxError: Non-ASCII character

pi@raspberrypi:~/Python $ python HC-SR04.py
File "HC-SR04.py", line 4
SyntaxError: Non-ASCII character '\xe8' in file HC-SR04.py on line 4, but no encoding declared; see http://python.org/dev/peps/pep-0263/ for details

這個錯誤是因為你的 Python 文件中包含了非 ASCII 字符（如中文字符或特殊符號），但沒有指定文件的編碼格式。為了解決這個問題，你可以在 Python 文件的開頭添加一行來指定編碼。

在 `HC-SR04.py` 的第一行添加以下內容：

# -*- coding: utf-8 -*-

這樣 Python 就能正確地處理文件中的非 ASCII 字符了。完整的文件開頭應該看起來像這樣：

# -*- coding: utf-8 -*-
# 其他代碼...

這樣做後，再次運行你的程式應該就不會出現這個錯誤了。

### 2.SyntaxError: invalid syntax

pi@raspberrypi:~/Python $ python HC-SR04.py
  File "HC-SR04.py", line 43
    print(f"Measured Distance = {dist:.2f} cm")
                                             ^
SyntaxError: invalid syntax

這個錯誤通常是因為你使用的 Python 版本不支持 f-string。f-string 是從 Python 3.6 開始引入的，如果你的版本低於這個，會出現 `SyntaxError`。

你可以通過以下命令檢查 Python 的版本：

python --version

如果你使用的是 Python 3.6 或更高版本，f-string 應該是可以正常工作的。如果不是，你可以將該行改寫為傳統的格式化方式，例如：

print("Measured Distance = {:.2f} cm".format(dist))

這樣就可以兼容較舊的版本了。希望這樣能幫到你！如果還有其他問題，隨時告訴我。

### 3.ImportError: No module named RPi.GPIO

pi@raspberrypi:~/Python $ python HC-SR04.py
Traceback (most recent call last):
  File "HC-SR04.py", line 16, in <module>
    import RPi.GPIO as GPIO
ImportError: No module named RPi.GPIO

這個錯誤是因為系統中沒有安裝 `RPi.GPIO` 模塊。這個模塊是用來控制 Raspberry Pi 的 GPIO 腳位的。

你可以通過以下命令來安裝 `RPi.GPIO`：

sudo apt-get update
sudo apt-get install python3-rpi.gpio

如果你使用的是 Python 2，可以用以下命令：

sudo apt-get install python-rpi.gpio

安裝完成後，再次運行你的程式，應該就能正常使用了。如果還有其他問題，隨時告訴我！

## Raspberry Pi 4 Python3 程式码

# -*- coding: utf-8 -*-
# 好的！這個錯誤是因為你的 Python 文件中包含非 ASCII 字符（比如中文或特殊符號），但沒有指定編碼格式。你可以在文件的開頭添加以下一行來解決這個問題：

# ```python
# # -*- coding: utf-8 -*-
# ```

# 這行代碼告訴 Python 使用 UTF-8 編碼來讀取文件。完整的文件開頭應該是這樣：

# ```python
# # -*- coding: utf-8 -*-
# # 其他代碼...
# ```

# 加上這一行後，再次運行程式應該就不會出現這個錯誤了！如果還有其他問題，隨時問我。
import RPi.GPIO as GPIO
# 這個錯誤是因為系統中沒有安裝 `RPi.GPIO` 模塊。這個模塊是用來控制 Raspberry Pi 的 GPIO 腳位的。

# 你可以通過以下命令來安裝 `RPi.GPIO`：

# ```bash
# sudo apt-get update
# sudo apt-get install python3-rpi.gpio
# ```

# 如果你使用的是 Python 2，可以用以下命令：

# ```bash
# sudo apt-get install python-rpi.gpio
# ```

# 安裝完成後，再次運行你的程式，應該就能正常使用了。如果還有其他問題，隨時告訴我！
import time

# 设置GPIO模式
GPIO.setmode(GPIO.BCM)

# 定义引脚
TRIG = 23  # Trig 引脚连接到 GPIO 23
ECHO = 24  # Echo 引脚连接到 GPIO 24

# 设置引脚方向（IN / OUT）
GPIO.setup(TRIG, GPIO.OUT)
GPIO.setup(ECHO, GPIO.IN)

def distance():
    # 发送高电平信号到 Trig 引脚
    GPIO.output(TRIG, True)

    # 持续 10 微秒
    time.sleep(0.00001)
    GPIO.output(TRIG, False)

    # 记录发射时间
    while GPIO.input(ECHO) == 0:
        start_time = time.time()

    # 记录接收时间
    while GPIO.input(ECHO) == 1:
        stop_time = time.time()

    # 计算时间差
    time_elapsed = stop_time - start_time

    # 声速为34300 cm/s，计算距离
    distance = (time_elapsed * 34300) / 2

    return distance

try:
    while True:
        dist = distance()
        # 這個錯誤通常是因為你使用的 Python 版本不支持 f-string。f-string 是從 Python 3.6 開始引入的，如果你的版本低於這個，會出現 `SyntaxError`。

        # 你可以通過以下命令檢查 Python 的版本：

        # ```bash
        # python --version
        # ```

        # 如果你使用的是 Python 3.6 或更高版本，f-string 應該是可以正常工作的。如果不是，你可以將該行改寫為傳統的格式化方式，例如：

        # ```python
        # print("Measured Distance = {:.2f} cm".format(dist))
        # ```

        # 這樣就可以兼容較舊的版本了。希望這樣能幫到你！如果還有其他問題，隨時告訴我。
        ## Python 3.6 Up
        # print(f"Measured Distance = {dist:.2f} cm")
        ## Python 2.7.18
        print("Measured Distance = {:.2f} cm".format(dist))

        time.sleep(1)

# 清理GPIO设置
except KeyboardInterrupt:
    print("Measurement stopped by User")
    GPIO.cleanup()

执行语法：

python3 HC-SR04.py

python `HC-SR04.py` 的python有时候安装的版本太旧，所以用python3运行问题会少点。