STM32—驱动HC-SR04超声波测距模块

文章目录

• 超声波测距原理
• HC-SR04工作原理
• STM32实现驱动
• • 1.引脚的配置
  • 2.时序控制
  • 3.时间差测量
  • 4.如何将距离测出来

超声波测距原理

利用HC-SR04超声波测距模块可以实现比较精确的直线测距，其测距原理图如下：

HC-SR04的一端发出超声波，接触到反射物后反射，被另一个端口接收到，所以只要知道发射和接收的时间差，就可以根据声波传播的速率算出HC-SR04和反射物直接的距离。
所以实现超声波测距就需要俩个条件：

• 发射和接收的时间差
• 超声波传输的速率

HC-SR04工作原理

HC-SR04模块的电气参数如示：

HC-SR04模块的实物图如示：

有四个引脚：

• Vcc：+5V电源供电
• Trig：输入触发信号（可以触发测距）
• Echo：传出信号回响（可以传回时间差）
• Gnd：接地

用Trig和Echo引脚实现测距的流程：
1.通过Trig输出一段至少10us的高电平（脉冲），触发一次测距，超声波在传输的过程中Echo一直输出高电平。
2.在Trig脉冲输出后，立即检测Echo引脚的电平，测出Echo高电平持续的时间t，t就是超声波在所测距离一个来回所需时间。
测距时序图如示：

STM32实现驱动

利用STM32驱动HC-SR04需要做好几个关键点：

• 引脚的配置
• 时序的控制
• 时间差的测量

下面来分开实现几个关键点

1.引脚的配置

HC-SR04四个引脚，Vcc和Gnd直接接在开发板的电源上即可，主要是Trig和Echo引脚的配置，我选择了PB1连接Trig引脚、PB2连接Echo引脚。
因为要控制Trig输出电平，所以PB1引脚模式是推挽输出GPIO_Mode_Out_PP
Echo要检测高电平持续的时间，所以PB2引脚模式是浮空输入GPIO_Mode_IN_FLOATING
相关的配置代码如下：

void SR04_GPIO_Init( void )
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
	RCC_APB2PeriphClockCmd( Trig_Clock  |Echo_Clock , ENABLE );

	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Trig_PIN;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(Trig_PORT, &GPIO_InitStruct);

	GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
	GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Echo_PIN;
	GPIO_Init(Echo_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

2.时序控制

HC-SR04的时序是：先来一段10us的Trig高电平，接着接收一段Echo的高电平，伪代码如下：

#define Trig_H  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)
#define Trig_L  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)

/* Trig给一个至少10us的高电平，超声波进行一次测距 */
	Trig_H;
	Delay_us( 10 );
	Trig_L;
/* 等待Echo高电平 */

3.时间差测量

这个是最重要的一步，要测量Echo高电平持续的时间，因为光传播的速率是340m/s，而测距的范围大多是cm级别，所以相应Echo高电平持续的时间也就是us级别的。
所以，测量时间差的条件就比较苛刻，我是利用SysTick（系统计数器）的原理实现计时的。SysTick计数器原理是对通过SysTick_Config()函数配置每俩次中断之间的节拍数，也就是俩次中断之间的机器周期，我大概算出了，测出0.1cm距离的Echo高电平时间约为6um，而系统时钟的频率是72MHz，所以配置每俩次中断之间的节拍为432的时候，进入一次中断就代表0.1cm的距离，所以只需要记录进入中断的次数就可以算出距离。通过一个全局变量在中断函数中自增来记录中断次数。SysTick_Config函数源代码如下：

static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
{
	/* 判断ticks 是否超出装填值和重装值的最大值 */
  if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);            

  /* 配置 装载寄存器 */
  SysTick->LOAD  = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;
	/* 配置 内核中断的优先级，也是在NVIC中 */
  NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);
	/* 加载计数器的值 */
	/* SysTick->VAL是当前数值寄存器的值 */
  SysTick->VAL   = 0;      

	/* CTRL是SysTick控制及状态寄存器：
		CLKSOURCE：位段2 时钟源选择，0=APB/8；1=APB  APB即72MHz
	  TICKINT:   位段1 当置为1时，计数器递减到0时会产生中断请求；当置为0时无动作
	  ENABLE：   位段0 使能位，可以启动SysTick定时器*/
	SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
                   SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
                   SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
  return (0);
}

SysTick的具体原理可以参考一下我之前的博客：SysTick原理

注意：SysTick_Config()函数执行完就开启了中断，所以必须在Echo为低电平后及时关闭中断，并且将记录中断的变量清零。
中断函数如示：

/* 用extern和volatile关键字修饰的 全局变量n */
extern volatile uint32_t n;

void SysTick_Handler(void)
{
	n++;
}

关闭中断及清零n的代码如下：

/* 本来的使能位取反 */
SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;

SysTick->CTRL寄存器的0位控制着中断的使能，具体情况在之前SysTick的博客中已做详细说明。

4.如何将距离测出来

我在main函数中实现了距离的测量，并且通过串口打印函数将距离传到上位机，具体代码如示：

int main(void)
{

	int i=1,q;
	float p;
	/* HC-SR04模块引脚初始化 */
	SR04_GPIO_Init();
	/* 串口相关配置 */
	GQ_UART_Config();
	/* 打印调试信息 */
	printf("慢漫的测距实验\n ");

	while( 1 )
	{
		/* 每0.5s测一次距离 */
		Delay_ms( 500 );

		/* Trig给一个至少10us的高电平，超声波进行一次测距 */
		Trig_H;
		Delay_us( 10 );
		Trig_L;
		/* 等待Echo高电平 */
		while( Echo_Value != 1 );
		/* 打开中断，对Echo高电平时间计时 */
		/* 配置计数器的装载值是72*6=432，即一次中断6um，正好是超声波的0.1cm，所以中断次数n对应着n*0.1cm */
		/* SysTick_Config()中已经使能计数器了,所以无需再开启	*/
		SysTick_Config( 432 );
		/* 等待直到Echo为低电平 */
		while(Echo_Value == 1);
		/* 关闭中断，通过参数n来取得距离参数 */
		/* 本来的使能位取反 */
		SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
		/* p、q分别是距离的整数部分和小数部分 */
		p=n/10;
		q=n%10;
		/* 打印距离信息 */
		/* p-50时经过调试的，因为测量的距离和诸多因素有关，这个操作减小了误差 */
		printf("第%d次测量为：%.0f.%dcm\n",i,p-50,q);
		i++;
		/* 清零中断记录变量n */
		n=0;
	}

}