基于STM32的CAN通信之HC-SR04（超声波）

只看该作者 · 2023-10-24 17:19

一、超声波测距基本原理
超声波测距的原理非常简单，超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到被测物体后会反射回来，被超声波接收器接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可以计算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离的计算公：:d=s/2=(c*t)/2

其中 d 为被测物与测距器的距离，s 为声波的来回路程，c 为声波，t 为声波来回所用的时间。

由于超声波也是一种声波，其声速 c 与温度有关，在不同温度下的超声波声速不同。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速校正后，只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。不同外温度下的超声波声速表如下

不同温度下超声波声速表

补充说明
最近在问答区发现有小伙伴疑惑为什么在计算距离时是根据Echo输出的高电平持续时间来计算距离。这里简单解释一下，仅供参考
1. 实际超声波测距的原理就是上面介绍的，记录的时间是从超声波发出到回波被接收的时间，然后这个时间除以2，再乘超声波的传播速度得到距离。超声波测距模块实际也是这么做的。模块内部会记录超声波发出的时刻，在接收到回波后会立刻以高电平的形式从Echo引脚输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发出到被接收到的时间间隔。这么做是模块为了方便单片机处理，快速得到超声波从发出到被接收到的时间间隔。

2. 实际大家可以自己测试一下，初始化一个定时器，从给Trig引脚10us高电平结束时刻开启定时器，到Echo引脚接收到高电平的时刻停止计时，用这个时间来计算距离，实际和用高电平持续时间来计算距离得到的结果基本是相同的。

3. 给Trig引脚10us高电平并不是说只发送10us的超声波。10us的高电平是为了触发模块工作。10us高电平结束后，模块会发送一个8个40KHz的方波。

二、超声波传感器简介
总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等:机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。这里介绍的是一个超声波测距模块——HC-SR04。

HC-SR04

三、HC-SR04测距实现思路
这里就不再针对HC-SR04模块的原理和电路做详细介绍了，直接介绍利用该模块实现测距的思路。该模块有四个引脚。
• VCC —— 通常是5V供电
• GND —— 地
• Trig —— 给该引脚大于10us的高电平，超声波发射头会发送一个超声波信号
• Echo —— 该引脚在接收到返回的超声波信号后会变为高电平

Echo接收到的高电平持续时间即为超声波一个来回所用的时间，利用该时间除以2再乘上光速，即可得到测量距离。

四、超声波测距程序实现
4.1 HC-SR04初始化程序
HC-SR04初始化程序主要包括两部分，一部分是初始化HC-SR04的GPIO，Trig引脚设置为推挽式输出，Echo引脚设置为浮空输入。另一部分是初始化TIM2。初始化TIM2之后，没有立即使能，而是等到Echo接收到高电平的时刻，开启TIM2。

/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Hcsr04_Init
*函数功能：初始化HC-SR04
*输入参数：无
*返回值：无
*备注：初始化HC-SR04引脚的同时，初始化了TIM2，用来记录高电平持续时间
初始化完TIM2后，没有使能，当Echo收到高电平后使能
*==============================================================================
*/
void Drv_Hcsr04_Init (void) // Hc-sr04初始化
{
// 结构体定义
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; // 生成用于定时器设置的结构体
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; // GPIO结构体
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; // NVIC结构体
RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE); // 使能GPIO时钟
// GPIO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; // 推挽式输出
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TIM2
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, 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(TIM2, &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(TIM2, TIM_FLAG_Update); // 清除更新中断，免得一打开中断立即产生中断
TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE); // 打开定时器更新中断
// NVIC配置
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); // 设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =TIM2_IRQn; // 选择定时器2中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; // 抢占式中断优先级设置为0
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; // 响应式中断优先级设置为0
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; // 使能中断
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);
}

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4.2 TIM开关程序

/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
*函数功能：打开定时器
*输入参数：无
*返回值：无
*备注：无
*==============================================================================
*/
void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void) // 打开定时器
{
TIM_SetCounter(TIM2,0); // 清除计数
gMsHcCount = 0;
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); // 使能TIMx外设
}
/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc
*函数功能：关闭定时器
*输入参数：无
*返回值：无
*备注：无
*==============================================================================
*/
void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void) // 关闭定时器
{
TIM_Cmd(TIM2, DISABLE); // 使能TIMx外设
}

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定时器中断服务函数如下

/*
*==============================================================================
*函数名称：TIM2_IRQHandler
*函数功能：定时器2中断服务程序
*输入参数：无
*返回值：无
*备注：无
*==============================================================================
*/
void TIM2_IRQHandler (void) // TIM2中断
{
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) // 检查TIM2更新中断发生与否
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update); // 清除TIMx更新中断标志
gMsHcCount++;
}
}

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4.3 获取定时时间

/*
*==============================================================================
*函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer
*函数功能：获取定时器定时时间
*输入参数：无
*返回值：无
*备注：无
*==============================================================================
*/
u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)
{
u32 t = 0;
t = gMsHcCount * 1000; // 得到MS
t += TIM_GetCounter(TIM2); // 得到US
TIM2 -> CNT = 0; // 将TIM2计数寄存器的计数值清零
delay_ms(50);
return t;
}

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4.4 计算测量距离

/*
*==============================================================================
*函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
*函数功能：获取测量距离
*输入参数：无
*返回值：无
*备注：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 Med_Hcsr04_GetLength (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
Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc(); //打开定时器
i = i + 1;
while(ECHO_Reci == 1);
Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc(); // 关闭定时器
t = Drv_Hcsr04_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;
}

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4.5 宏定义

#define HCSR04_PORT GPIOB // 定义IO口
#define HCSR04_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB // 开启GPIO时钟
#define HCSR04_TRIG GPIO_Pin_8 // 定义Trig对应引脚
#define HCSR04_ECHO GPIO_Pin_9 // 定义Echo对应引脚
#define TRIG_Send PBout(8) // 将TRIG_Send映射到PB8
#define ECHO_Reci PBin(9) // 将ECHO_Reci映射到PB9
void Drv_Hcsr04_Init(void); // Hc-sr04初始化
void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void); //打开定时器
void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void); //关闭定时器
u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer(void); // 获取定时器时间

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五、应用实例
利用串口打印距离信息，main函数如下

float gDistance = 0; //定义获取返回距离变量
int main(void)
{
Med_Mcu_Iint(); // 系统初始化
while(1)
{
gDistance = Med_Hcsr04_GetLength(); //获取返回距离
printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance); //串口打印返回距离
delay_ms(500); //延时500ms = 0.5s
}
}

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六、拓展应用
超声波测距比较常用的，比如利用超声波测距模块实现智能车的自动避障，这个在后续实战项目系列中会有，在此就不再详细介绍了。主要思路就是根据HC-SR04测得的与障碍物的距离，来决定是否要停止或转弯，以及往哪边转弯。