程序员经验分享-hwhale

基于STM32的高精度超声波模块HC-SR04测距

2023-05-16

准备材料

  • 超声波模块 H C − S R 04 HC-SR04 HC−SR04
  • STM32F103RCT6(Mini板)

超声波模块原理分析

在这里插入图片描述

引脚功能
VCC接5V
GND接开发板GND
Trig接外部PWM信号输入
Echo输出整形过的方波信号

性能指标

精度： 3 m m 3mm 3mm
测距范围： 2 c m 2cm 2cm至 4 m 4m 4m

原理

给 T r i g Trig Trig引脚输入一个 10 u s 10us 10us以上的高电平信号，此时模块会发出超声波，并从 E c h o Echo Echo引脚输出 5 V 5V 5V高电平，等超声波反射回来被模块接收到后， E c h o Echo Echo引脚输出低电平，高电平持续的时间就是距离。时间与距离的转换公式如下：
2 × S = t × v 2\times S=t \times v 2×S=t×v
其中
S = 距 离 ， 单 位 ： c m S= 距离，单位：cm S=距离，单位：cm
t = 超 声 波 传 播 的 实 际 ， 单 位 ： u s t= 超声波传播的实际，单位：us t=超声波传播的实际，单位：us
v = 声 速 ， 344 m / s v= 声速，344m/s v=声速，344m/s
公式化简后可得
S = t ÷ 58 S=t \div 58 S=t÷58

STM32程序设计

核心就是利用好TIM定时器的PWM输出、输入捕获功能

首先，要给 T r i g Trig Trig引脚一个PWM信号（占空比自行调整），以持续输出至少 10 u s 10us 10us的高电平信号，这里直接搬运正点原子PWM输出实验核心代码。
然后检测 E c h o Echo Echo引脚高电平持续时间的方法就是用输入捕获去获得高电平持续时间（精度 1 u s 1us 1us)。这里我没有使用正点原子的算法，我的输入捕获算法设计如下：
首先，我们 T I M 5 TIM5 TIM5定时器的最大计数是 65535 65535 65535，也就是总共计数 65536 u s 65536us 65536us，我们知道超声波模块最远传输距离是 4 m ( 400 c m ) 4m(400cm) 4m(400cm)，也就是说， E c h o Echo Echo 高电平持续时间最长 23200 u s 23200us 23200us，远小于溢出周期，因此不用担心计数器截断的问题，所以中断更新直接放弃考虑溢出中断，仅考虑捕获中断。然后我们定义两个变量 S T A STA STA 和 R I S E _ G E T RISE\_ GET RISE_GET ,初始状态都置为0； S T A STA STA表示完成一次完整的高电平捕获， R I S E _ G E T RISE\_GET RISE_GET 表示捕获到一次上升沿。因此中断服务函数中，我们首先判断是否已经捕获上升沿，如果没，在此情况下发生的第一个捕获事件一定是捕获到上升沿，标记 R I S E _ G E T = 1 RISE\_GET=1 RISE_GET=1,计数器清零；下次捕获事件的中断一定就是下降沿了，此时标记 S T A = 1 STA=1 STA=1，然后输出此时 T I M 5 TIM5 TIM5的计数值。

Codes

/**
  ******************************************************************************
  * @file    Project/STM32F10x_StdPeriph_Template/main.c 
  * @author  @Couriersix
  * @version V1.0.0
  * @date    04-October-2021
  * @brief   Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * THE PRESENT FIRMWARE WHICH IS FOR GUIDANCE ONLY AIMS AT PROVIDING CUSTOMERS
  * WITH CODING INFORMATION REGARDING THEIR PRODUCTS IN ORDER FOR THEM TO SAVE
  * TIME. AS A RESULT, STMICROELECTRONICS SHALL NOT BE HELD LIABLE FOR ANY
  * DIRECT, INDIRECT OR CONSEQUENTIAL DAMAGES WITH RESPECT TO ANY CLAIMS ARISING
  * FROM THE CONTENT OF SUCH FIRMWARE AND/OR THE USE MADE BY CUSTOMERS OF THE
  * CODING INFORMATION CONTAINED HEREIN IN CONNECTION WITH THEIR PRODUCTS.
  *
  * <h2><center>&copy; COPYRIGHT 2011 STMicroelectronics</center></h2>
  ******************************************************************************
  */  

/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include<stm32f10x.h>
#include<delay.h>
#include<IIC.h>
#include<TM1637.h>
#include<sys.h>

/** @addtogroup STM32F10x_StdPeriph_Template
  * @{
  */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* Private define ------------------------------------------------------------*/
#define Trig PAout(2)
#define LED0 PAout(8)
/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* Private variables ---------------------------------------------------------*/
TIM_ICInitTypeDef  TIM5_ICInitStructure;
unsigned char  Data[20]={0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef}; //数码管字符显示参数
uint8_t time[4]; 
	u16 STA=0,RISE_GET=0; //STA:一次捕获完成，RISE_GET:捕获到上升沿
u16	TIM5CH1_CAPTURE_VAL;	//输入捕获值
float ans,time_cost,dis;
int dis_int,dis_res,ans_int,ans_res;
long long tot,temp;
int cnt=0;
/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
/* Private functions ---------------------------------------------------------*/
void GPIO_Init1(){
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_2|GPIO_Pin_8;
	GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
}
	


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时钟
 	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  //使能GPIOA时钟
	
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_0;  //PA0 清除之前设置  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; //PA0 输入  
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);						 //PA0 下拉
	
	//初始化定时器5 TIM5	 
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值 
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; 	//预分频器   
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM5, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
  
	//初始化TIM5输入捕获参数
	TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01 	选择输入端 IC1映射到TI1上
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;	//上升沿捕获
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;	 //配置输入分频,不分频 
  	TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC1F=0000 配置输入滤波器 不滤波
  	TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);
	
	//中断分组初始化
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;  //TIM5中断
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1;  //先占优先级2级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;  //从优先级0级
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器 
	
	TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_CC1,ENABLE);//允许更新中断 ,允许CC1IE捕获中断	
	
   	TIM_Cmd(TIM5,ENABLE ); 	//使能定时器5
   


}
 
//定时器5中断服务程序	 
void TIM5_IRQHandler(void)
{ 
	if (RISE_GET){  //已经捕获上升沿
		if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET){//捕获1发生捕获事件（在上升沿已捕获的前提下这次捕获的一定是下降沿），
			TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCounter(TIM5);
			TIM_SetCounter(TIM5,0);
			RISE_GET=0; //捕获高电平输入事件结束
			STA=1; 提示主程序可以进行下一次Trig信号发送
		}
	}
	else{ //还未捕获到上升沿（指等待新的高电平出现）
		if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET && !STA){//捕获1发生捕获事件（一定是上升沿出现了）
			TIM_SetCounter(TIM5,0); //清空计数器
			RISE_GET=1;
			TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling);		//CC1P=1 设置为下降沿捕获
		}
	}
 
    TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1); //清除中断标志位
}



//PWM输出初始化
//arr：自动重装值
//psc：时钟预分频数

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外设和AFIO复用功能模块时钟使能
	
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE); //Timer3部分重映射  TIM3_CH2->PB5                                                                       	 //用于TIM3的CH2输出的PWM通过该LED显示
 
   //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM3 CH2的PWM脉冲波形
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //TIM_CH2
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
	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; //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	 80K
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  不分频
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位
	
	 
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2
	TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
	TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值
	TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
	TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx
	TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIMx在CCR2上的预装载寄存器
	
	TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器
	
 
	TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIMx外设
 

}
/**
  * @brief  Main program.
  * @param  None
  * @retval None
  */
int main(void)
{
  /*!< At this stage the microcontroller clock setting is already configured, 
       this is done through SystemInit() function which is called from startup
       file (startup_stm32f10x_xx.s) before to branch to application main.
       To reconfigure the default setting of SystemInit() function, refer to
       system_stm32f10x.c file
     */     


  /* Add your application code here
     */
	delay_init();
	GPIO_Init1();
	IIC_Init();
	TIM5_Cap_Init(0XFFFF,72-1);	//以1Mhz的频率计数 	
	TIM3_PWM_Init(8999,179);   //生成PWM信号
	TIM_SetCompare2(TIM3,8995);
  /* Infinite loop */
  while (1)
  {
	  LED0=1;
	  TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); //CC1P=0 设置为上升沿捕获
	  while (!STA);
	  dis=TIM5CH1_CAPTURE_VAL/58.0; 
	  dis_int=dis;
	  LED0=0;  //指示系统正常运行
	  
	  time[0]=Data[dis_int/1000];
	  time[1]=Data[(dis_int/100)%10];
	  time[2]=Data[(dis_int%100)/10];
	  time[3]=Data[(dis_int%10)];
	  TM_Display(time); //显示结果，单位:cm
	  STA=0;
	  delay_ms(10);
  }
}



/******************* (C) COPYRIGHT 2011 STMicroelectronics *****END OF FILE****/

测试

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实际测试结果还是挺令人满意的，系统也十分稳定可靠。

本文内容由网友自发贡献，版权归原作者所有，本站不承担相应法律责任。如您发现有涉嫌抄袭侵权的内容，请联系:hwhale#tublm.com(使用前将#替换为@)

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