秀操作：用HC-SR04和STM32F103ZET6做超聲波測距
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背景：最近整理東西，發(fā)現(xiàn)了一個藍色的小模塊，上面還有兩個像喇叭的小東西，關鍵上面還有絲印，用藍底白字寫著“HC-SR04”，于是勾起了我的好奇心，動動小手指，百度找到了這個小板子的信息，原來是一個超聲波測距模塊，還挺有意思的，而且只引出來了四個引腳，應用也比較簡單，下面簡單介紹下這個模塊以及簡單的超聲波測距方案。
1.HC-SR04模塊實物圖和工作原理
1.1實物如下圖，可以看到這個模塊是雙面貼片的，整體感覺大氣，印出來了四個引腳，分別是GND,Echo，Trig，VCC具體功能見下方
1.2首先這個模塊是要單獨供電的，需要給VCC接5V，GND就不多說了關鍵是Echo和Trig這兩個腳，可以看下方的時序圖。
a.需要給觸發(fā)信號即Trig一個大于10us的方波信號
c.輸出回響信號，即Echo會返回一個高電平信號，這個高電平的持續(xù)時間和測量距離有關。
計算測距方法：我可以用一個遮擋物擋在兩個突出物上方，通過初中的只是我們都知道 距離=速度*時間/2 ，速度在空氣中的速度約等于340m/s，時間即Echo的高電平信號。所以我們可以很簡單的就測量出遮擋物到模塊的距離。
2.要掌握的知識點和設備
2.1硬件環(huán)境 我這邊用的是HC-SR04模塊+STM32F103ZET6開發(fā)板+示波器，示波器是幫助分析用，可以驗證設計和實際是否一致的工具，可以不要。開發(fā)板也只是起一個連接串口調試助手，產生PWM以及輸入捕獲的一個功能，并不一樣要和我一樣的開發(fā)板，理論上任何一個開發(fā)板都可以實現(xiàn)這個功能。
2.2軟件知識
要用上面這套工具實現(xiàn)超聲波測距的功能，需要的代碼知識點也說過了，這里再提一下。
a.PWM輸出一個脈沖大于10us的方波到Trig，可以用STM32的定時器輸出
b.輸入捕獲Echo接受到的高電平信號，通過測量接受到的高電平時間，即可通過距離=速度*時間/2計算出距離。
c.串口調試，我們要通過串口調試助手打印出測量的時間和距離，可以方便直觀的看到我們的結果。
理論上掌握上面三個技能就可以實現(xiàn)超聲波測距的這個簡單的項目，當然條條大路通羅馬，上面的方式也不是唯一的一種。譬如我可以用信號發(fā)生器產生方波，就可以不用定時器了。畢竟工具只是工具而已。
3.代碼編寫，代碼是參考的正點原子的PWM輸出和輸入捕獲，因為項目原理上面說過了，基本就是這兩個功能的疊加。我本來想用HAL庫來做，但是CUBEMX生成的代碼調試沒成功，所以最后還是用的原子的標準庫來做的。下面代碼截取的是main.c和time.c。也是這個項目里面最重要的兩個部分。
extern u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA; //輸入捕獲狀態(tài) extern u16 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //輸入捕獲值 int main(void){ u32 temp=0; double ss=0; delay_init(); //延時函數(shù)初始化 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //設置NVIC中斷分組2:2位搶占優(yōu)先級，2位響應優(yōu)先級 uart_init(115200); //串口初始化為115200 TIM3_PWM_Init(71,199); //不分頻。PWM頻率=72000/(899+1)=80Khz TIM5_Cap_Init(0XFFFF,72-1); //以1Mhz的頻率計數(shù) while(1) { delay_ms(10);// TIM_SetCompare2(TIM3,TIM_GetCapture2(TIM3)+1); TIM_SetCompare2(TIM3,63); if(TIM_GetCapture2(TIM3)==300)TIM_SetCompare2(TIM3,0); if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)//成功捕獲到了一次上升沿 { temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F; temp*=65536;//溢出時間總和 temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//得到總的高電平時間 ss=temp*340/2/1000; printf("高電平時間:%d us\r\n",temp);//打印總的高點平時間 printf("測試距離為:%3.0f mm\r\n",ss); TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//開啟下一次捕獲 delay_ms(500); } }}
void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc){ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //時鐘使能 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值 計數(shù)到5000為500ms TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設置用來作為TIMx時鐘頻率除數(shù)的預分頻值 10Khz的計數(shù)頻率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設置時鐘分割:TDTS = Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計數(shù)模式 TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數(shù)初始化TIMx的時間基數(shù)單位 TIM_ITConfig( //使能或者失能指定的TIM中斷 TIM3, //TIM2 TIM_IT_Update | //TIM 中斷源 TIM_IT_Trigger, //TIM 觸發(fā)中斷源 ENABLE //使能 ); NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3中斷 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; //先占優(yōu)先級0級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //從優(yōu)先級3級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根據NVIC_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設NVIC寄存器 TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIMx外設 } void TIM3_IRQHandler(void) //TIM3中斷{ if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //檢查指定的TIM中斷發(fā)生與否:TIM 中斷源 { TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update ); //清除TIMx的中斷待處理位:TIM 中斷源 LED1=!LED1; }} //PWM輸出初始化//arr：自動重裝值//psc：時鐘預分頻數(shù) void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc){ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); //使能GPIO外設和AFIO復用功能模塊時鐘使能 GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); //Timer3部分重映射 TIM3_CH2->PB5 //用于TIM3的CH2輸出的PWM通過該LED顯示 //設置該引腳為復用輸出功能,輸出TIM3 CH2的PWM脈沖波形 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //TIM_CH2 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //復用推挽輸出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); //GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7,Bit_SET); // PA7上拉 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值 80K TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設置用來作為TIMx時鐘頻率除數(shù)的預分頻值 不分頻 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設置時鐘分割:TDTS = Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計數(shù)模式 TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數(shù)初始化TIMx的時間基數(shù)單位 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //選擇定時器模式:TIM脈沖寬度調制模式2 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比較輸出使能 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //設置待裝入捕獲比較寄存器的脈沖值 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //輸出極性:TIM輸出比較極性高 TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); //根據TIM_OCInitStruct中指定的參數(shù)初始化外設TIMx TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); //使能TIMx在CCR2上的預裝載寄存器 TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的預裝載寄存器 TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); //使能TIMx外設 } //定時器5通道1輸入捕獲配置 TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure; void TIM5_Cap_Init(u16 arr,u16 psc){ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE); //使能TIM5時鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE); //使能GPIOA時鐘 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //PA0 清除之前設置 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; //PA0 輸入 GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0); //PA0 下拉 //初始化定時器5 TIM5 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設定計數(shù)器自動重裝值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //預分頻器 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //設置時鐘分割:TDTS = Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計數(shù)模式 TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure); //根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數(shù)初始化TIMx的時間基數(shù)單位 //初始化TIM5輸入捕獲參數(shù) TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01 選擇輸入端 IC1映射到TI1上 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕獲 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //配置輸入分頻,不分頻 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC1F=0000 配置輸入濾波器 不濾波 TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure); //中斷分組初始化 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn; //TIM3中斷 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占優(yōu)先級2級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //從優(yōu)先級0級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //根據NVIC_InitStruct中指定的參數(shù)初始化外設NVIC寄存器 TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE);//允許更新中斷 ,允許CC1IE捕獲中斷 TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); //使能定時器5} u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //輸入捕獲狀態(tài) u16 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //輸入捕獲值 //定時器5中斷服務程序 void TIM5_IRQHandler(void){ if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//還未成功捕獲 { if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET) { if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已經捕獲到高電平了 { if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高電平太長了 { TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//標記成功捕獲了一次 TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF; }else TIM5CH1_CAPTURE_STA++; } } if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)//捕獲1發(fā)生捕獲事件 { if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40) //捕獲到一個下降沿 { TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //標記成功捕獲到一次高電平脈寬 TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5); TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); //CC1P=0 設置為上升沿捕獲 }else //還未開始,第一次捕獲上升沿 { TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //清空 TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0; TIM_SetCounter(TIM5,0); TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; //標記捕獲到了上升沿 TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling); //CC1P=1 設置為下降沿捕獲 } } } TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中斷標志位 }
4.硬件連接以及實驗照片
4.1硬件連接
4.2串口顯示結果
4.3Echo和Trig信號
基本功能是實現(xiàn)了，以上就是對HC-SR04這個模塊的簡單介紹和使用分享。當然這個模塊也很常見，網上類似的分享也挺多的，但和我一樣的肯定沒有，起碼圖片都是我新鮮截取拍攝的，這次的測試也是我花了些心思做出來的，我的小目標就是攢齊3個原創(chuàng)文章，貼一個加V的認證，看了下原創(chuàng)活動是到今年年底，也算是今年的一個年度計劃吧，希望可以實現(xiàn)。
本文系21ic論壇網友王小琪原創(chuàng)
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