STM32微控制器連線HC_SR04超聲波模組測距

小木刺客發表於2018-05-21

原文連結：https://blog.csdn.net/m0_37655357/article/details/72934643

首先，先來看一下這個模組的基本功能和原理。

HC-SR04超聲波測距模組可提供約2cm400釐米的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3毫米;模組包括超聲波發射器，接收器與控制電路像智慧小車的測距以及轉向，或是一些專案中，常常會用到。智慧小車測距可以及時發現前方的障礙物，使智慧小車可以及時轉向，避開障礙物。

注意是5v輸入，但是我用stm32的3.3v輸入也是沒有問題的。

二，工作原理

      1.給超聲波模組接入電源和地
      。2.給脈衝觸發引腳（trig）輸入一個長為20us的高電平方波

      3.輸入方波後，模組會自動發射8個40KHz的聲波，與此同時回波引腳（echo）端的電平會由0變為1;（
      當此時應該啟動定時器計時）4.當超聲波返回被模組接收到時，回波引腳端的電平會由1變為0;（此時應該停止定時器計數），定時器記下的這個時間即為超聲波由發射到返回的總時長
      5 。根據聲音在空氣中的速度為344米/秒，即可計算出所測的距離。

      要學習和應用感測器，學會看懂感測器的時序圖是很關鍵的，所以我們來看一下HC-SR04的時序觸發圖。

    

 

    我們來分析一下這個時序圖，先由觸發訊號啟動HC-RS04測距模組，也就是說，主機要先傳送至少為10us的高電平，觸發HC-RS04，模組內部發出訊號是感測器自動迴應的，我們不用去管它。輸出迴響訊號是我們需要關注的。訊號輸出的高電平就是超聲波發出到重新返回接收所用的時間。用定時器，可以把這段時間記錄下來，算出距離，別忘了結果要除於2，因為總時間是傳送和接收的時間總和。

下面是親測可用的驅動程式。

晶片型號為STM32F103ZET6，超聲波測距後通過串列埠列印到電腦上面。

驅動和測距;

[cpp]  檢視純文字 
  1. //超聲波測距  
  2.   
  3. #include“hcsr04.h”  
  4.    
  5. #define HCSR04_PORT GPIOB  
  6. #define HCSR04_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB  
  7. #define HCSR04_TRIG GPIO_Pin_5  
  8. #define HCSR04_ECHO GPIO_Pin_6  
  9.   
  10. #define TRIG_Send PBout（5）   
  11. #define ECHO_Reci PBin（6）  
  12.   
  13. u16 msHcCount = 0; //毫秒計數  
  14.   
  15. void  Hcsr04Init（）  
  16. {    
  17.     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;     //生成用於定時器設定的結構體  
  18.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  
  19.     RCC_APB2PeriphClockCmd（HCSR04_CLK，ENABLE）;  
  20.        
  21.         // IO初始化  
  22.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_TRIG;       //傳送電平引腳  
  23.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
  24.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; //推輓輸出  
  25.     GPIO_Init（HCSR04_PORT，＆GPIO_InitStructure）;  
  26.     GPIO_ResetBits（HCSR04_PORT，HCSR04_TRIG）;  
  27.        
  28.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;     //返回電平引腳  
  29.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; //浮空輸入  
  30.     GPIO_Init（HCSR04_PORT，＆GPIO_InitStructure）;    
  31.         GPIO_ResetBits（HCSR04_PORT，HCSR04_ECHO）;      
  32.        
  33.             //定時器初始化使用基本定時器TIM6  
  34.         RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM6，ENABLE）;   //使能對應RCC時鐘  
  35.         //配置定時器基礎結構體  
  36.         TIM_DeInit（TIM2）;  
  37.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period =（1000-1）; //設定在下一個更新事件裝入活動的自動重灌載暫存器週期的計數到1000為1ms  
  38.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =（72-1）; //設定用來作為TIMx時脈頻率除數的預分頻值1M的計數頻率1US計數  
  39.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //不分頻  
  40.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  // TIM向上計數模式  
  41.         TIM_TimeBaseInit（TIM6，＆TIM_TimeBaseStructure）; //根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的引數初始化TIMX的時間基數單位         
  42.           
  43.         TIM_ClearFlag（TIM6，TIM_FLAG_Update）;   //清除更新中斷，免得一開啟中斷立即產生中斷  
  44.         TIM_ITConfig（TIM6，TIM_IT_Update，ENABLE）;    //開啟定時器更新中斷  
  45.         hcsr04_NVIC（）;  
  46.     TIM_Cmd（TIM6，DISABLE）;       
  47. }  
  48.   
  49.   
  50. //提示：靜態函式的作用域僅限於定義它的原始檔內，所以不需要在標頭檔案裡宣告  
  51. static void  OpenTimerForHc（）         //開啟定時器   
  52. {  
  53.         TIM_SetCounter（TIM6,0）; //清除計數  
  54.         msHcCount = 0;  
  55.         TIM_Cmd（TIM6，ENABLE）;  //使能TIMX外設  
  56. }  
  57.    
  58. static void  CloseTimerForHc（）         //關閉定時器   
  59. {  
  60.         TIM_Cmd（TIM6，DISABLE）;  //使能TIMX外設  
  61. }  
  62.    
  63.    
  64.  // NVIC配置  
  65. void  hcsr04_NVIC（）  
  66. {  
  67.             NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;  
  68.             NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）;  
  69.       
  70.             NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM6_IRQn;             //選擇串列埠1箇中斷  
  71.             NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //搶佔式中斷優先順序設定為1  
  72.             NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;         //響應式中斷優先順序設定為1  
  73.             NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;        //使能中斷  
  74.             NVIC_Init（＆NVIC_InitStructure）;  
  75. }  
  76.   
  77.   
  78. //定時器6中斷服務程式  
  79. void  TIM6_IRQHandler（void ）    // TIM3中斷  
  80. {  
  81.         如果 （TIM_GetITStatus（TIM6，TIM_IT_Update）！= RESET）   //檢查TIM3更新中斷髮生與否  
  82.         {  
  83.                 TIM_ClearITPendingBit（TIM6，TIM_IT_Update）;  //清除TIMX更新中斷標誌   
  84.                 msHcCount ++;  
  85.         }  
  86. }  
  87.    
  88.   
  89. //獲取定時器時間  
  90. u32 GetEchoTimer（void ）  
  91. {  
  92.         u32 t = 0;  
  93.         t = msHcCount * 1000; //得到MS  
  94.         t + = TIM_GetCounter（TIM6）; //得到美國  
  95.           TIM6-> CNT = 0;  //將TIM2計數暫存器的計數值清零  
  96.                 Delay_Ms（50）;  
  97.         返回 t;  
  98. }  
  99.    
  100.   
  101. //一次獲取超聲波測距資料兩次測距之間需要相隔一段時間，隔斷迴響訊號  
  102. //為了消除餘震的影響，取五次資料的平均值進行加權濾波。  
  103. float  Hcsr04GetLength（void  ）  
  104. {  
  105.         u32 t = 0;  
  106.         int  i = 0;  
  107.         float  lengthTemp = 0;  
  108.         float  sum = 0;  
  109.         而（i！= 5）  
  110.         {  
  111.         TRIG_Send = 1;      //傳送口高電平輸出  
  112.         Delay_Us（20）;  
  113.         TRIG_Send = 0;  
  114.         while （ECHO_Reci == 0）;      //等待接收口高電平輸出  
  115.             OpenTimerForHc（）;        //開啟定時器  
  116.             i = i + 1;  
  117.             while （ECHO_Reci == 1）;  
  118.             CloseTimerForHc（）;        //關閉定時器  
  119.             t = GetEchoTimer（）;        //獲取時間，解析度為1US  
  120.             lengthTemp =（（float ）t / 58.0）; //釐米  
  121.             sum = lengthTemp + sum;  
  122.           
  123.     }  
  124.         lengthTemp = sum / 5.0;  
  125.         返回 長度Temp;  
  126. }  
  127.   
  128.   
  129. / * :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::::::: 
  130. **函式名稱：Delay_Ms_Ms 
  131. **功能描述：延時1MS（可通過模擬來判斷他的準確度）           
  132. **引數描述：time（ms）注意時間<65535 
  133. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::::: * /  
  134. void  Delay_Ms（uint16_t time）   //延時函式  
  135. {   
  136.     uint16_t i，j;  
  137.     for （i = 0; i <time; i ++）  
  138.         for （j = 0; j <10260; j ++）;  
  139. }  
  140. / * :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::::::: 
  141. **函式名稱：Delay_Ms_Us 
  142. **功能描述：延時1us（可通過模擬來判斷他的準確度） 
  143. **引數描述：time（us）注意時間<65535                 
  144. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::: ::::::::::: * /  
  145. void  Delay_Us（uint16_t time）   //延時函式  
  146. {   
  147.     uint16_t i，j;  
  148.     for （i = 0; i <time; i ++）  
  149.         for （j = 0; j <9; j ++）;  
  150. }  

但是關於USART的函式我就不往上寫了，這個簡單的串列埠列印大家應該都會寫。下面簡單貼一下我的主函式吧。


[cpp]  檢視純文字 
  1. / * 
  2. 教訓：實驗前一定要檢查引腳連線是否正確，萬不可搞錯，不然又要燒壞晶片!!!! 
  3. 2017年6月8日 
  4. * /  
  5.   
  6. #include“hcsr04.h”  
  7. #include“chao_usart.h”  
  8.   
  9. int  main（）  
  10. {  
  11.       
  12.         浮動 長度;  
  13.           
  14.         GPIO_cfg（）;  
  15.       NVIC_cfg（）;  
  16.         USART_cfg（）;      
  17.         printf（“串列埠初始化成功！\ n” ）;  
  18.       
  19.         Hcsr04Init（）;     
  20.         printf（“超聲波初始化成功！\ n” ）; //測試程式是否卡在下面兩句上面  
  21.   
  22.         長度= Hcsr04GetLength（）;  
  23.         printf（“距離為：％。3f \ n” ，長度）;  
  24.       
  25.       
  26. }  


實驗結果：

 

好了，其實這個模組很簡單，但是要是把他用的很好的話還是比較困難的，比如用超聲波做一個四軸定高的程式，還是有一定的挑戰性的。

寫這篇博​​客的目的不僅僅是介紹這個模組的使用，其實這種使用介紹網上一搜一大把，我只是想紀錄一下，我在做這個模組的時候遇到的一些其他的問題。

其中有一個小插曲，就是當吧寫好的程式燒進去之後，執行時總是出現每次返回一個同樣的比正常值小的多的資料，比如說0.034釐米，這明顯是一個錯誤的資料，但是剛開始的時候，不知道為什麼

總是這樣，多次復位從新上電總是這一個資料。讓我很是苦惱。但是幸運的是，在這樣的情況中間，他又會有時出現一兩個正常的的資料，讓你有點摸不著頭腦。

上網查了一下才慢慢明白，這種現象叫做“餘震”，網上關於餘震的解釋大致有三種：

  如圖1所示，探頭的餘震。即使是分體式的，發射頭工作完後還會繼續震一會，這是物理效應，也就是餘震。這個餘震訊號也會向外傳播。如果你的設計是發射完畢後立刻切換為接收狀態（無盲區），那麼這個餘震波會通過殼體和周圍的空氣，直接到達接收頭，干擾了檢測（注：通常的測距設計裡，發射頭和接收頭的距離很近，在這麼短的距離裡超聲波的檢測角度是很大的，可達180度）
  。2，殼體的餘震。就像爆鍾一樣，能量仍來自發射頭。發射結束後，殼體的餘震會直接傳導到接收頭，當然這個時間很短，但已形成了干擾。另外，在不同的環境溫度下，殼體的硬度和外形會有所變化，其餘震有時長，有時短，有時干擾大，有時干擾小，這是設計工業級產品時必須要考慮的問題。
  3，電路串擾。超聲波發射時的瞬間電流很大，例如某種工業級連續測距產品瞬 電流會有15A，通常的產品也能達到1A，瞬間這麼大的電流會對電源有一定影響，並干擾接收電路。通過改善電源設計可以緩解這種情況，但在低成本設計中很難根除。所以每次發射完畢，接收電路還需要一段時間穩定工作狀態。在此期間，其輸出的訊號很難使用。

 

消除上述現象的方法之一就是在檢測的時候多次迴圈檢測，取平均值，也就是加權平均濾波，一個簡單的濾波處理就是下面這一段：

[cpp]  檢視純文字 
  1.               u32 t = 0;  
  2. int  i = 0;  
  3. float  lengthTemp = 0;  
  4. float  sum = 0;  
  5. 而（i！= 5）  
  6. {  
  7. TRIG_Send = 1;      //傳送口高電平輸出  
  8. Delay_Us（20）;  
  9. TRIG_Send = 0;  
  10. while （ECHO_Reci == 0）;      //等待接收口高電平輸出  
  11.     OpenTimerForHc（）;        //開啟定時器  
  12.     i = i + 1;  
  13.     while （ECHO_Reci == 1）;  
  14.     CloseTimerForHc（）;        //關閉定時器  
  15.     t = GetEchoTimer（）;        //獲取時間，解析度為1US  
  16.     lengthTemp =（（float ）t / 58.0）; //釐米  
  17.     sum = lengthTemp + sum;  
  18.   
  19.   
  20. lengthTemp = sum / 5.0;  
  21. 返回 長度Temp;  

加了這個之後，基本上就沒有出現餘震現象了。

還有一點就是測試程式前一定要檢查引腳有沒有接錯，不管多有把握，也要看一遍，不然很容易出大事的，一個晶片也許就因為你的大意給GG了。切記，這個應該也算我們這個行業的基本素養吧。

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