stm32与HC-SR04超声波传感器测距

Posted 2020-09-22 Andrew_qian

首先，先来看一下这个模块的基本功能和原理。

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。像智能小车的测距以及转向，或是一些项目中，常常会用到。智能小车测距可以及时发现前方的障碍物，使智能小车可以及时转向，避开障碍物。

注意是5v输入，但是我用stm32 的3.3v输入也是没有问题的。

二.工作原理

      1．给超声波模块接入电源和地。
      2.给脉冲触发引脚（trig）输入一个长为20us的高电平方波

      3.输入方波后，模块会自动发射8个40KHz的声波，与此同时回波引脚（echo）端的电平会由0变为1；（此时应该启动定时器计时）
      4.当超声波返回被模块接收到时，回波引 脚端的电平会由1变为0；（此时应该停止定时器计数），定时器记下的这个时间即为超声波由发射到返回的总时长。
      5.根据声音在空气中的速度为344米/秒，即可计算出所测的距离。

      要学习和应用传感器，学会看懂传感器的时序图是很关键的，所以我们来看一下HC-SR04的时序触发图。

    

 

    我们来分析一下这个时序图，先由触发信号启动HC-RS04测距模块，也就是说，主机要先发送至少10us的高电平，触发HC-RS04,模块内部发出信号是传感器自动回应的，我们不用去管它。输出回响信号是我们需要关注的。信号输出的高电平就是超声波发出到重新返回接收所用的时间。用定时器，可以把这段时间记录下来，算出距离，别忘了结果要除于2，因为总时间是发送和接收的时间总和。

下面是亲测可用的驱动程序。

芯片型号为stm32f103zet6，超声波测距后通过串口打印到电脑上面。

驱动和测距；

//超声波测距

#include "hcsr04.h"
 
#define HCSR04_PORT     GPIOB
#define HCSR04_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOB
#define HCSR04_TRIG     GPIO_Pin_5
#define HCSR04_ECHO     GPIO_Pin_6

#define TRIG_Send  PBout(5) 
#define ECHO_Reci  PBin(6)

u16 msHcCount = 0;//ms计数

void Hcsr04Init()
{  
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;     //生成用于定时器设置的结构体
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);
     
        //IO初始化
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;       //发送电平引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
    GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);
     
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =   HCSR04_ECHO;     //返回电平引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
    GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
        GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);    
     
            //定时器初始化 使用基本定时器TIM6
        RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);   //使能对应RCC时钟
        //配置定时器基础结构体
        TIM_DeInit(TIM2);
        TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (1000-1); //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值         计数到1000为1ms
        TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =(72-1); //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  1M的计数频率 1US计数
        TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//不分频
        TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
        TIM_TimeBaseInit(TIM6, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位         
        
        TIM_ClearFlag(TIM6, TIM_FLAG_Update);   //清除更新中断，免得一打开中断立即产生中断
        TIM_ITConfig(TIM6,TIM_IT_Update,ENABLE);    //打开定时器更新中断
        hcsr04_NVIC();
    TIM_Cmd(TIM6,DISABLE);     
}


//tips：static函数的作用域仅限于定义它的源文件内，所以不需要在头文件里声明
static void OpenTimerForHc()        //打开定时器
{
        TIM_SetCounter(TIM6,0);//清除计数
        msHcCount = 0;
        TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);  //使能TIMx外设
}
 
static void CloseTimerForHc()        //关闭定时器
{
        TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);  //使能TIMx外设
}
 
 
 //NVIC配置
void hcsr04_NVIC()
{
            NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
            NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
            NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM6_IRQn;             //选择串口1中断
            NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //抢占式中断优先级设置为1
            NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;         //响应式中断优先级设置为1
            NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;        //使能中断
            NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
}


//定时器6中断服务程序
void TIM6_IRQHandler(void)   //TIM3中断
{
        if (TIM_GetITStatus(TIM6, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM3更新中断发生与否
        {
                TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志 
                msHcCount++;
        }
}
 

//获取定时器时间
u32 GetEchoTimer(void)
{
        u32 t = 0;
        t = msHcCount*1000;//得到MS
        t += TIM_GetCounter(TIM6);//得到US
          TIM6->CNT = 0;  //将TIM2计数寄存器的计数值清零
                Delay_Ms(50);
        return t;
}
 

//一次获取超声波测距数据 两次测距之间需要相隔一段时间，隔断回响信号
//为了消除余震的影响，取五次数据的平均值进行加权滤波。
float Hcsr04GetLength(void )
{
        u32 t = 0;
        int i = 0;
        float lengthTemp = 0;
        float sum = 0;
        while(i!=5)
        {
        TRIG_Send = 1;      //发送口高电平输出
        Delay_Us(20);
        TRIG_Send = 0;
        while(ECHO_Reci == 0);      //等待接收口高电平输出
            OpenTimerForHc();        //打开定时器
            i = i + 1;
            while(ECHO_Reci == 1);
            CloseTimerForHc();        //关闭定时器
            t = GetEchoTimer();        //获取时间,分辨率为1US
            lengthTemp = ((float)t/58.0);//cm
            sum = lengthTemp + sum ;
        
    }
        lengthTemp = sum/5.0;
        return lengthTemp;
}


/*:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
** 函数名称: Delay_Ms_Ms
** 功能描述: 延时1MS (可通过仿真来判断他的准确度)            
** 参数描述：time (ms) 注意time<65535
:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::*/
void Delay_Ms(uint16_t time)  //延时函数
{ 
    uint16_t i,j;
    for(i=0;i<time;i++)
          for(j=0;j<10260;j++);
}
/*:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
** 函数名称: Delay_Ms_Us
** 功能描述: 延时1us (可通过仿真来判断他的准确度)
** 参数描述：time (us) 注意time<65535                 
:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::*/
void Delay_Us(uint16_t time)  //延时函数
{ 
    uint16_t i,j;
    for(i=0;i<time;i++)
          for(j=0;j<9;j++);
}

但是关于USART的函数我就不往上写了，这个简单的串口打印大家应该都会写。下面简单贴一下我的主函数吧。

/*
教训：实验前一定要检查引脚连接是否正确，万不可搞错，不然又要烧坏芯片！！！！

*/

#include "hcsr04.h"
#include "chao_usart.h"

int main()
{
    
        float length;
        
        GPIO_cfg();
      NVIC_cfg();
        USART_cfg();    
        printf("串口初始化成功！\\n");
    
        Hcsr04Init();    
        printf("超声波初始化成功！\\n");//测试程序是否卡在下面两句上面

        length = Hcsr04GetLength();
        printf("距离为:%.3f\\n",length);
    
    
}

实验结果：

 

好了，其实这个模块很简单，但是要是把他用的很好的话还是比较困难的，比如用超声波做一个四轴定高的程序，还是有一定的挑战性的。

写这篇博客的目的不仅仅是介绍这个模块的使用，其实这种使用介绍网上一搜一大把，我只是想纪录一下，我在做这个模块的时候遇到的一些其他的问题。

其中有一个小插曲，就是当吧写好的程序烧进去之后，运行时总是出现每次返回一个同样的比正常值小的多的数据，比如说0.034cm，这明显是一个错误的数据，但是刚开始的时候，不知道为什么

总是这样，多次复位从新上电总是这一个数据。让我很是苦恼。但是幸运的是，在这样的情况中间，他又会有时出现一两个正常的的数据，让你有点摸不着头脑。

上网查了一下才慢慢明白，这种现象叫做“余震”，网上关于余震的解释大致有三种：

  1、探头的余震。即使是分体式的，发射头工作完后还会继续震一会，这是物理效应，也就是余震。这个余震信号也会向外传播。如果你的设计是发射完毕后立刻切换为接收状态（无盲区），那么这个余震波会通过壳体和周围的空气，直接到达接收头、干扰了检测（注：通常的测距设计里，发射头和接收头的距离很近，在这么短的距离里超声波的检测角度是很大的，可达180度）。
  2、壳体的余震。就像敲钟一样，能量仍来自发射头。发射结束后，壳体的余震会直接传导到接收头，当然这个时间很短，但已形成了干扰。另外，在不同的环境温度下，壳体的硬度和外形会有所变化，其余震有时长、有时短、有时干扰大、有时干扰小，这是设计工业级产品时必须要考虑的问题。
  3、电路串扰。超声波发射时的瞬间电流很大，例如某种工业级连续测距产品瞬间电流会有15A，通常的产品也能达到1A，瞬间这么大的电流会对电源有一定影响，并干扰接收电路。通过改善电源设计可以缓解这种情况，但在低成本设计中很难根除。所以每次发射完毕，接收电路还需要一段时间稳定工作状态。在此期间，其输出的信号很难使用。

 

消除上述现象的方法之一就是在检测的时候多次循环检测，取平均值，也就是加权平均滤波，一个简单的滤波处理。就是下面这一段：

        int i = 0;
        float lengthTemp = 0;
        float sum = 0;
        while(i!=5)
        {
        TRIG_Send = 1;      //发送口高电平输出
        Delay_Us(20);
        TRIG_Send = 0;
        while(ECHO_Reci == 0);      //等待接收口高电平输出
            OpenTimerForHc();        //打开定时器
            i = i + 1;
            while(ECHO_Reci == 1);
            CloseTimerForHc();        //关闭定时器
            t = GetEchoTimer();        //获取时间,分辨率为1US
            lengthTemp = ((float)t/58.0);//cm
            sum = lengthTemp + sum ;
        
    }
        lengthTemp = sum/5.0;
        return lengthTemp;

 

加了这个之后，基本上就没有出现余震现象了。

还有一点就是测试程序前一定要检查引脚有没有接错，不管多有把握，也要看一遍，不然很容易出大事的，一个芯片也许就因为你的大意给GG了。切记，这个应该也算我们这个行业的基本素养吧。