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[STM32F1] 【原创】用HC-SR04和STM32F103ZET6做超声波测距

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 楼主| 王小琪 发表于 2020-11-5 11:27 | 显示全部楼层 |阅读模式
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#申请原创# 背景:最近整理东西,发现了一个蓝色的小模块,上面还有两个像喇叭的小东西,关键上面还有丝印,用蓝底白字写着“HC-SR04”,于是勾起了我的好奇心,动动小手指,百度找到了这个小板子的信息,原来是一个超声波测距模块,还挺有意思的,而且只引出来了四个引脚,应用也比较简单,下面简单介绍下这个模块以及简单的超声波测距方案。
1.HC-SR04模块实物图和工作原理
1.1实物如下图,可以看到这个模块是双面贴片的,整体感觉大气,印出来了四个引脚,分别是GND,Echo,Trig,VCC具体功能见下方
248545fa363f8e3782.png 67885fa36492b36e7.png
1.2首先这个模块是要单独供电的,需要给VCC接5V,GND就不多说了
关键是Echo和Trig这两个脚,可以看下方的时序图。
a.需要给触发信号即Trig一个大于10us的方波信号
b.模块内部会产生一个8*40KHz的声波,因为是内部产生的,所以引出的四个脚测不出来这个信号,或许可以从PCBA里面其它地方测出,我没深入研究
c.输出回响信号,即Echo会返回一个高电平信号,这个高电平的持续时间和测量距离有关。
计算测距方法:我可以用一个遮挡物挡在两个突出物上方,通过初中的只是我们都知道距离=速度*时间/2,速度在空气中的速度约等于340m/s,时间即Echo的高电平信号。所以我们可以很简单的就测量出遮挡物到模块的距离。
941355fa3699ca8314.png




2.要掌握的知识点和设备
2.1硬件环境
我这边用的是HC-SR04模块+STM32F103ZET6开发板+示波器,示波器是帮助分析用,可以验证设计和实际是否一致的工具,可以不要。开发板也只是起一个连接串口调试助手,产生PWM以及输入捕获的一个功能,并不一样要和我一样的开发板,理论上任何一个开发板都可以实现这个功能。
2.2软件知识
要用上面这套工具实现超声波测距的功能,需要的代码知识点也说过了,这里再提一下。
a.PWM输出一个脉冲大于10us的方波到Trig,可以用STM32的定时器输出
b.输入捕获Echo接受到的高电平信号,通过测量接受到的高电平时间,即可通过距离=速度*时间/2计算出距离。
c.串口调试,我们要通过串口调试助手打印出测量的时间和距离,可以方便直观的看到我们的结果。
理论上掌握上面三个技能就可以实现超声波测距的这个简单的项目,当然条条大路通罗马,上面的方式也不是唯一的一种。譬如我可以用信号发生器产生方波,就可以不用定时器了。毕竟工具只是工具而已。


3.代码编写,代码是参考的正点原子的PWM输出和输入捕获,因为项目原理上面说过了,基本就是这两个功能的叠加。我本来想用HAL库来做,但是CUBEMX生成的代码调试没成功,所以最后还是用的原子的标准库来做的。下面代码截取的是main.c和time.c。也是这个项目里面最重要的两个部分。
  1. extern u8  TIM5CH1_CAPTURE_STA;                //输入捕获状态                                                   
  2. extern u16        TIM5CH1_CAPTURE_VAL;        //输入捕获值        
  3. int main(void)
  4. {               
  5.          u32 temp=0;
  6.         double ss=0;
  7.         delay_init();                     //延时函数初始化         
  8.         NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);         //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级,2位响应优先级
  9.         uart_init(115200);         //串口初始化为115200
  10.          TIM3_PWM_Init(71,199);                 //不分频。PWM频率=72000/(899+1)=80Khz
  11.          TIM5_Cap_Init(0XFFFF,72-1);        //以1Mhz的频率计数
  12.            while(1)
  13.         {
  14.                  delay_ms(10);
  15. //                TIM_SetCompare2(TIM3,TIM_GetCapture2(TIM3)+1);
  16.                 TIM_SetCompare2(TIM3,63);
  17.                 if(TIM_GetCapture2(TIM3)==300)TIM_SetCompare2(TIM3,0);                                 
  18.                  if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)//成功捕获到了一次上升沿
  19.                 {
  20.                         temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F;
  21.                         temp*=65536;//溢出时间总和
  22.                         temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//得到总的高电平时间
  23.                         ss=temp*340/2/1000;
  24.                         printf("高电平时间:%d us\r\n",temp);//打印总的高点平时间
  25.                         printf("测试距离为:%3.0f mm\r\n",ss);
  26.                         TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//开启下一次捕获
  27.                         delay_ms(500);
  28.                 }
  29.         }
  30. }
  1. void TIM3_Int_Init(u16 arr,u16 psc)
  2. {
  3.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
  4.         NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

  5.         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); //时钟使能

  6.         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         计数到5000为500ms
  7.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  10Khz的计数频率  
  8.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
  9.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
  10.         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

  11.         TIM_ITConfig(  //使能或者失能指定的TIM中断
  12.                 TIM3, //TIM2
  13.                 TIM_IT_Update  |  //TIM 中断源
  14.                 TIM_IT_Trigger,   //TIM 触发中断源
  15.                 ENABLE  //使能
  16.                 );
  17.         NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn;  //TIM3中断
  18.         NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //先占优先级0级
  19.         NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3;  //从优先级3级
  20.         NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能
  21.         NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器

  22.         TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIMx外设
  23.                                                          
  24. }

  25. void TIM3_IRQHandler(void)   //TIM3中断
  26. {
  27.         if (TIM_GetITStatus(TIM3, TIM_IT_Update) != RESET) //检查指定的TIM中断发生与否:TIM 中断源
  28.                 {
  29.                 TIM_ClearITPendingBit(TIM3, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx的中断待处理位:TIM 中断源
  30.                 LED1=!LED1;
  31.                 }
  32. }




  33. //PWM输出初始化
  34. //arr:自动重装值
  35. //psc:时钟预分频数

  36. void TIM3_PWM_Init(u16 arr,u16 psc)
  37. {  
  38.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  39.         TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
  40.         TIM_OCInitTypeDef  TIM_OCInitStructure;
  41.         

  42.         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);
  43.          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
  44.         
  45.         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

  46.    //设置该引脚为复用输出功能,输出TIM3 CH2的PWM脉冲波形
  47.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //TIM_CH2
  48.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
  49.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  50.         GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
  51.         //GPIO_WriteBit(GPIOA, GPIO_Pin_7,Bit_SET); // PA7上拉        

  52.         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
  53.         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
  54.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
  55.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
  56.         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
  57.         
  58.          
  59.         TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式2
  60.         TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
  61.         TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值
  62.         TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
  63.         TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx
  64.         TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);  //使能TIMx在CCR2上的预装载寄存器
  65.         
  66.         TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器
  67.         

  68.         TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  //使能TIMx外设


  69. }

  70. //定时器5通道1输入捕获配置

  71. TIM_ICInitTypeDef  TIM5_ICInitStructure;

  72. void TIM5_Cap_Init(u16 arr,u16 psc)
  73. {         
  74.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  75.         TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;
  76.            NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

  77.         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM5, ENABLE);        //使能TIM5时钟
  78.          RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);  //使能GPIOA时钟
  79.         
  80.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin  = GPIO_Pin_0;  //PA0 清除之前设置  
  81.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; //PA0 输入  
  82.         GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
  83.         GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);                                                 //PA0 下拉
  84.         
  85.         //初始化定时器5 TIM5         
  86.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值
  87.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc;         //预分频器   
  88.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
  89.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
  90.         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
  91.   
  92.         //初始化TIM5输入捕获参数
  93.         TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01         选择输入端 IC1映射到TI1上
  94.           TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;        //上升沿捕获
  95.           TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上
  96.           TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;         //配置输入分频,不分频
  97.           TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC1F=0000 配置输入滤波器 不滤波
  98.           TIM_ICInit(TIM5, &TIM5_ICInitStructure);
  99.         
  100.         //中断分组初始化
  101.         NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn;  //TIM3中断
  102.         NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;  //先占优先级2级
  103.         NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;  //从优先级0级
  104.         NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能
  105.         NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器
  106.         
  107.         TIM_ITConfig(TIM5,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE);//允许更新中断 ,允许CC1IE捕获中断        
  108.         
  109.            TIM_Cmd(TIM5,ENABLE );         //使能定时器5
  110. }

  111. u8  TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;        //输入捕获状态                                                   
  112. u16        TIM5CH1_CAPTURE_VAL;        //输入捕获值

  113. //定时器5中断服务程序         
  114. void TIM5_IRQHandler(void)
  115. {

  116.          if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获        
  117.         {         
  118.                 if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_Update) != RESET)
  119.                  
  120.                 {            
  121.                         if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了
  122.                         {
  123.                                 if((TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了
  124.                                 {
  125.                                         TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次
  126.                                         TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;
  127.                                 }else TIM5CH1_CAPTURE_STA++;
  128.                         }         
  129.                 }
  130.         if (TIM_GetITStatus(TIM5, TIM_IT_CC1) != RESET)//捕获1发生捕获事件
  131.                 {        
  132.                         if(TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40)                //捕获到一个下降沿                 
  133.                         {                                 
  134.                                 TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;                //标记成功捕获到一次高电平脉宽
  135.                                 TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM5);
  136.                                    TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Rising); //CC1P=0 设置为上升沿捕获
  137.                         }else                                                                  //还未开始,第一次捕获上升沿
  138.                         {
  139.                                 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;                        //清空
  140.                                 TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;
  141.                                  TIM_SetCounter(TIM5,0);
  142.                                 TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40;                //标记捕获到了上升沿
  143.                                    TIM_OC1PolarityConfig(TIM5,TIM_ICPolarity_Falling);                //CC1P=1 设置为下降沿捕获
  144.                         }                    
  145.                 }                                                                                    
  146.          }

  147.     TIM_ClearITPendingBit(TIM5, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志位

  148. }


4.硬件连接以及实验照片
4.1硬件连接
626005fa365e6123a8.png

4.2串口显示结果
526535fa36314bebba.png
4.3Echo和Trig信号
75715fa3635521a2d.png 136145fa36369f3586.png
基本功能是实现了,以上就是对HC-SR04这个模块的简单介绍和使用分享。当然这个模块也很常见,网上类似的分享也挺多的,但和我一样的肯定没有,起码图片都是我新鲜截取拍摄的,这次的测试也是我花了些心思做出来的,我的小目标就是攒齐3个原创**,贴一个加V的认证,看了下原创活动是到今年年底,也算是今年的一个年度计划吧,希望可以实现。@21小跑堂 @21小跑堂

PS:附件是我在网上找的一个HC-SR04模块的资料,可以参考,但我看了下好像和我手上这个有点儿不一样,但引脚定义是一样的,不影响整体设计思路,可以看看。



超声波测距模块_HC-SR04_ 用户手册-V2.0.pdf

181.93 KB, 下载次数: 5

打赏榜单

21小跑堂 打赏了 10.00 元 2020-11-05
理由:恭喜通过优秀原创文章审核!奖励10元!

天灵灵地灵灵 发表于 2022-1-12 10:53 | 显示全部楼层
感谢分享,如果工程也打包分享一下就好了。
kiwis66 发表于 2022-1-21 10:45 | 显示全部楼层
楼主加油!!
max560 发表于 2022-1-21 14:48 来自手机 | 显示全部楼层
感谢,工程文件分享一下就优秀了
macpherson 发表于 2022-2-15 22:36 | 显示全部楼层
如果不用操作系统,可行?
cehuafan 发表于 2022-2-21 12:09 | 显示全部楼层
不能使用计数实现吗  
macpherson 发表于 2022-2-21 19:22 | 显示全部楼层
CUBEMX生成的代码应该是没有启动中断
fentianyou 发表于 2022-2-21 20:10 | 显示全部楼层
还是习惯使用定时器测量的
adolphcocker 发表于 2022-2-21 21:08 | 显示全部楼层
捕获时间差啊。   
alvpeg 发表于 2022-2-21 21:35 | 显示全部楼层
用HAL来做硬件简单很多。
i1mcu 发表于 2022-2-21 22:03 | 显示全部楼层
这个应该没有程序的阻塞吗
macpherson 发表于 2022-2-21 22:30 | 显示全部楼层
PWM输出和输入捕获代码可行吗
lihuami 发表于 2022-11-10 16:52 | 显示全部楼层
有HC-SR04超声波发射接收模块的具体电路分析资料么 ?
maqianqu 发表于 2022-11-10 18:11 | 显示全部楼层
超声波传感器HY-SRF05使用时,可以和HC-SR04使用方法一样吗?
pl202 发表于 2022-11-10 20:24 | 显示全部楼层
HC-SR04 超声波测距模块三块芯片的型号是什么?
uytyu 发表于 2022-11-11 13:30 | 显示全部楼层
hc-sr04,接收到超声波,echo为低电平吗?
lihuami 发表于 2022-11-11 14:43 | 显示全部楼层
STM32如何使用超声波模块进行测距  
tabmone 发表于 2022-11-11 15:49 | 显示全部楼层
两个hc-sr04会互相干扰吗?  
maqianqu 发表于 2022-11-11 18:55 | 显示全部楼层
常用的HC-SR04超声波探头只能发40Khz的声音吗?
wengh2016 发表于 2022-11-11 21:24 | 显示全部楼层
HC-SR04 超声波传感器的精度怎么样?  
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