如何使用HCSR04和STM32F103ZET6制做超声波测距仪

jupitars

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

                               
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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。

                               
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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。
externu8TIM5CH1_CAPTURE_STA;//输入捕获状态externu16TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//输入捕获值intmain（void）{u32temp=0;doubless=0;delay_init（）;//延时函数初始化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uart_init（115200）;//串口初始化为115200TIM3_PWM_Init（71，199）;//不分频。PWM频率=72000/（899+1）=80KhzTIM5_Cap_Init（0XFFFF，72-1）;//以1Mhz的频率计数while（1）{delay_ms（10）;//TIM_SetCompare2（TIM3，TIM_GetCapture2（TIM3）+1）;TIM_SetCompare2（TIM3，63）;if（TIM_GetCapture2（TIM3）==300）TIM_SetCompare2（TIM3，0）;if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80）//成功捕获到了一次上升沿{temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F;temp*=65536;//溢出时间总和temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//得到总的高电平时间ss=temp*340/2/1000;printf（“高电平时间：%dus\r\n”，temp）;//打印总的高点平时间printf（“测试距离为：%3.0fmm\r\n”，ss）;TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//开启下一次捕获delay_ms（500）;}}}
voidTIM3_Int_Init（u16arr，u16psc）{TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDefNVIC_InitStructure;RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM3，ENABLE）;//时钟使能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500msTIM_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TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=0;//设置时钟分割：TDTS=Tck_timTIM_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_ITConfig（//使能或者失能指定的TIM中断TIM3，//TIM2TIM_IT_Update|//TIM中断源TIM_IT_Trigger，//TIM触发中断源ENABLE//使能）;NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel=TIM3_IRQn;//TIM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=0;//先占优先级0级NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority=3;//从优先级3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_Cmd（TIM3，ENABLE）;//使能TIMx外设}voidTIM3_IRQHandler（void）//TIM3中断{if（TIM_GetITStatus（TIM3，TIM_IT_Update）！=RESET）//检查指定的TIM中断发生与否：TIM中断源{TIM_ClearITPendingBit（TIM3，TIM_IT_Update）;//清除TIMx的中断待处理位：TIM中断源LED1=！LED1;}}//PWM输出初始化//arr：自动重装值//psc：时钟预分频数voidTIM3_PWM_Init（u16arr，u16psc）{GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;TIM_OCInitTypeDefTIM_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TIM3CH2的PWM脉冲波形GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_5;//TIM_CH2GPIO_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80KTIM_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_timTIM_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2TIM_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TIMxTIM_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}//定时器5通道1输入捕获配置TIM_ICInitTypeDefTIM5_ICInitStructure;voidTIM5_Cap_Init（u16arr，u16psc）{GPIO_InitTypeDefGPIO_InitStructure;TIM_TimeBaseInitTypeDefTIM_TimeBaseStructure;NVIC_InitTypeDefNVIC_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5TIM5TIM_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_timTIM_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;//TIM3中断NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority=2;//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_Update|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}u8TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//输入捕获状态u16TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//输入捕获值//定时器5中断服务程序voidTIM5_IRQHandler（void）{if（（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80）==0）//还未成功捕获{if（TIM_GetITStatus（TIM5，TIM_IT_Update）！=RESET）{if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40）//已经捕获到高电平了{if（（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F）==0X3F）//高电平太长了{TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;}elseTIM5CH1_CAPTURE_STA++;}}if（TIM_GetITStatus（TIM5，TIM_IT_CC1）！=RESET）//捕获1发生捕获事件{if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40）//捕获到一个下降沿{TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获到一次高电平脉宽TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1（TIM5）;TIM_OC1PolarityConfig（TIM5，TIM_ICPolarity_Rising）;//CC1P=0设置为上升沿捕获}else//还未开始，第一次捕获上升沿{TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//清空TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0;TIM_SetCounter（TIM5，0）;TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40;//标记捕获到了上升沿TIM_OC1PolarityConfig（TIM5，TIM_ICPolarity_Falling）;//CC1P=1设置为下降沿捕获}}}TIM_ClearITPendingBit（TIM5，TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update）;//清除中断标志位}
4.硬件连接以及实验照片
4.1硬件连接

                               
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4.2串口显示结果

                               
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4.3Echo和Trig信号

                               
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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个原创文章，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。

瓦莱塔的

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