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基于STM32的HC-SR04超声波测距模块实验

用户8913398

发布于 2021-08-16 08:07:17

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硬件环境

STM32F407探索板（其他开发板皆可以）

HC-SR04超声波模块

软件环境

KEIL5

CUBEMX

串口调试助手（sscom或其他）

实验目标

了解HC-SR04超声波模块工作原理
实现超声波模块测距

1、超声波模块介绍

1.1 超声波测距原理及系统组成

超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。设超声波脉冲由传感器发出到接收所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为c，则从传感器到目标物体的距离D可用下式求出:D = ct/2,图 2是相应的系统框图。

基本原理：经发射器发射出长约 6mm，频率为 40KHZ 的超声波信号。此信号被物体反射回来由接收头接收，接收头实质上是一种压电效应的换能器。它接收到信号后产生 mV 级的微弱电压信号。

1.2 HC-SR04模块原理

HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达高到3mm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

基本工作原理：(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距，给最少 10us 的高电平信呈。(2)模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；(3)有信号返回，通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2，下面是实物图。

如上图接线，VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO 回响信号输出等四个接口端。

1.3 超声波时序图

以上时序图表明你只需要提供一个10uS以上脉冲触发信号，该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式：uS/58=厘米或者uS/148=英寸；或是：距离=高电平时间*声速（340M/S）/2；建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

注：1、此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作。

2、测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果。

1.4 电气参数

电气参数	HC-SR04模块
工作电压	DC5V
工作电流	15mA
工作频率	40KHZ
最远射程	4M
最近射程	2CM
测量角度	15度
输入触发信号	10uS 的 TTL 脉冲
输出回响信号	输出 TTL 电平信号，与射程成比例
规格尺寸	452015mm

2、软件实现

对程设计最重要的就是模块的时序图了，一切皆时序，看明白了时序，那么驱动自然也就不难写了，分析上面时序，首先模块需要触发信号，触发信号是不低于10us的TTL电平，也是就需要控制IO输出不低于10us的高电平脉冲，模块接收到此脉冲信号后，内部会输出8个40KHZ脉冲，然后模块会输出与检测距离相应时间的高电平作为回响信号，作为我们检测的依据。

2.1 硬件连接

单片机	HC-SR04模块
5V	VCC
Trig	PB14
Echo	PB15
GND	GND

2.2 cubemx配置

结合上面我们的分析，需要用到us延时，定时器计算超声波返回高电平时间，us延时在上一篇文章做了很详细的介绍，小伙伴们可以动动可爱的小手哈，上篇文章链接在这：Embeded。

时钟配置上篇文章也有介绍到，这里也贴出来，也可以使用内部RC高速时钟，本次主要介绍使用外部高速时钟，上图：

我板子上焊接的是8M的晶体，如果小伙伴们的板子上不是8M，根据自己的晶振频率配置即可，左侧圈1中，可以根据自己的晶体频率，输入相应的频率，经过分频、倍频后，系统时钟频率设置为最大，168MHZ，APB1的时钟频率为 84MHZ，也是后面用到的 TIM2 挂载的时钟源的频率。

TIM2 基础配置，这个就比较简单了，分频系数 83，计数单位为 84MHZ/84 = 1uS,向上计数方式，周期 65535，由于没有使用到中断，不需要开启中断。

配置串口1作为我们调试输出串口，配置如下图

接下来，配置超声波模块用到的IO，PB14作为Trig引脚，配置为输出模式，PB15作为Echo引脚，配置为输入模式

此时IO的状态有个默认值，可能不是我们上电初始化希望保持的状态，比如Trig引脚是需要输出不低于10us的高电平脉冲，那么Trig初始引脚配置为低电平使我们希望的，为实现这个目的，需要再配置一下

至此，我们的cubemx配置就完成了，下面进行软件逻辑的实现。

2.3 软件代码实现

首先将我们用到的两个IO进行宏定义，方便调用，代码如下：

#define HCSR_TRIG_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(HC_SR04_Trig_GPIO_Port,HC_SR04_Trig_Pin,GPIO_PIN_SET)
#define HCSR_TRIG_LOW()  HAL_GPIO_WritePin(HC_SR04_Trig_GPIO_Port,HC_SR04_Trig_Pin,GPIO_PIN_RESET)

#define HCSR_ECHO()  HAL_GPIO_ReadPin(HC_SR04_ECHO_GPIO_Port,HC_SR04_ECHO_Pin)

根据上面的协议，先实现触发脉冲信号，不低于10us的TTL高电平脉冲信号，我延时了20us，也是上一张测试过的20us延时函数，如果小伙伴不知道怎么实现us延时，麻烦翻看上一张哈，代码如下，顺便用逻辑分析仪截了一下TRIG引脚信号，还是熟悉的20us：

void HCSR04StartTrigStart(void)
{
 HCSR_TRIG_HIGH();
 for_delay_us(20);
 HCSR_TRIG_LOW();
}

接下来是TIM2的配置函数，代码如下：

/* TIM2 init function */
void MX_TIM2_Init(void)
{
  TIM_ClockConfigTypeDef sClockSourceConfig = {0};
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 84-1;
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 65535;
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sClockSourceConfig.ClockSource = TIM_CLOCKSOURCE_INTERNAL;
  if (HAL_TIM_ConfigClockSource(&htim2, &sClockSourceConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim2, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

}

定时器开启与关闭函数体如下面，由于没用中断，屏蔽了定时器中断部分：

//mode=1-->open timer 
//mode=0-->close timer
void HCSR04_TimerFunc(uint8_t mode)
{
 if(mode)
 {
  __HAL_TIM_SetCounter(&htim2,0);
  HAL_TIM_Base_Start(&htim2);
  //HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2);
  msHcCount = 0;
 }
 else
 {
  HAL_TIM_Base_Stop(&htim2);
  //HAL_TIM_Base_Stop_IT(&htim2);
 }
}

接下来就是我们的核心时间采集及距离换算部分了，代码如下，设计两个函数，一个是单次获取距离，另一个是对采集结果做了均值滤波处理，减少误差：

//单次获取测量距离
float HCSR04_Get_Distant(void)
{
    HCSR04StartTrigStart();
    while(!HCSR_ECHO());
    HCSR04_TimerFunc(1);//start timer
    while(HCSR_ECHO());
    HCSR04_TimerFunc(0);//stop timer

    return (__HAL_TIM_GetCounter(&htim2))/58.0;
}

//均值滤波减小测量误差
float Distance(uint8_t cnt)
{
    float sum = 0;
    for(int i =0;i<cnt;i++)
    {
        sum+=HCSR04_Get_Distant();
    }
 return sum/cnt;
}

主函数部分没什么，每隔100ms读取一次，并通过串口打印出来：

  distant =  Distance(5);
  t++;
  if(t%5==0)
  {
        t=0;
        printf("\r\n\r\n---------------start--------------------\r\n\r\n");
        printf("The Mesure Distant is:%.2f cm\r\n",distant);
        printf("\r\n\r\n----------------stop--------------------\r\n\r\n");
        HAL_GPIO_TogglePin(led_run_GPIO_Port,led_run_Pin);
  }
  HAL_Delay(100);