基于stm32和HC_SR04超声波模块的测距和报警

一.工作原理

(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距，给最少 10us 的高电平信号；

(2)模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回；

(3)有信号返回， 通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平， 高电平持续的时间就是超声
波从发射到返回的时间。 测试距离 = (高电平时间*声速(340M/S))/2。
实物图：

引脚连接：

时序：

二.功能实现

实验源码上传在在gitee上，
https://gitee.com/ashenone-129/stm32

HC_SR04初始化和读取距离

hc_sr04.c

#include "hcsr04.h"
#include "delay.h"


TIM_ICInitTypeDef  tim_ic_init;
//g_cap_state:捕获状态标志(bit7:完成捕获; bit6:捕获高电平;bit5-bit0:捕获高电平溢出次数)
u16 g_cap_state, g_cap_val;
u32 g_cap_distance;	//超声波测量距离

//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: timer4_cap_init
//	功能说明: TIM4初始化
//	形    参: timer_arr：自动重装值; timer_psc：时钟分频系数
//	返 回 值: 无
//	日    期: 
//	作    者: 
//  备    注: 
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------

void timer4_cap_init(u16 timer_arr, u16 timer_psc)
{
	GPIO_InitTypeDef gp_init;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  tim_base_init;
	NVIC_InitTypeDef nvic_init_config;

	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);	//使能TIM2时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);  //使能GPIOB时钟

	gp_init.GPIO_Pin  	= GPIO_Pin_8; 
	gp_init.GPIO_Mode 	= GPIO_Mode_IPD; //PB8 输入 (ECHO) 
	GPIO_Init(GPIOB, &gp_init);

	gp_init.GPIO_Pin  	= GPIO_Pin_9;     
	gp_init.GPIO_Mode 	= GPIO_Mode_Out_PP;     //PB9 输出 (TRIG)
	gp_init.GPIO_Speed 	= GPIO_Speed_2MHz;     //2M
	GPIO_Init(GPIOB, &gp_init);

	//初始化定时器4 TIM4	 
	tim_base_init.TIM_Period 		= timer_arr; //设定计数器自动重装值 
	tim_base_init.TIM_Prescaler 	= timer_psc; 	//预分频器   
	tim_base_init.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割:TDTS = Tck_tim
	tim_base_init.TIM_CounterMode 	= TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM4, &tim_base_init); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位

	//初始化TIM4输入捕获参数
	tim_ic_init.TIM_Channel 	= TIM_Channel_3; //CC1S=03 	选择输入端 IC3映射到TI1上
	tim_ic_init.TIM_ICPolarity 	= TIM_ICPolarity_Rising;	//上升沿捕获
	tim_ic_init.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
	tim_ic_init.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;	 //配置输入分频,不分频 
	tim_ic_init.TIM_ICFilter 	= 0x00;//配置输入滤波器 不滤波
	TIM_ICInit(TIM4, &tim_ic_init);

	//中断分组初始化
	nvic_init_config.NVIC_IRQChannel 					= TIM4_IRQn;  //TIM4中断
	nvic_init_config.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority 	= 3;  //先占优先级2级
	nvic_init_config.NVIC_IRQChannelSubPriority 		= 3;  //从优先级0级
	nvic_init_config.NVIC_IRQChannelCmd 				= ENABLE; //IRQ通道被使能
	NVIC_Init(&nvic_init_config);  //根据NVIC_InitStruct中指定的参数初始化外设NVIC寄存器 	
	
	TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update|TIM_IT_CC3, ENABLE);//允许更新中断 ,允许CC3IE捕获中断	
	TIM_Cmd(TIM4, ENABLE); 	//使能定时器3
}

//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
//	函 数 名: hcsr04_read_distance
//	功能说明: 超声波测量距离
//	形    参: 无
//	返 回 值: 无
//	日    期: 
//	作    者: 
//  备    注: 
//---------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------
void hcsr04_read_distance(void)
{
	GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_9);	//启动超声波测量
	delay_us(15);
	GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_9);
	
	if (g_cap_state & 0X80)	//捕获一次高电平
	{
		g_cap_distance = g_cap_state & 0X3f;
		g_cap_distance *= 65535;
		g_cap_distance += g_cap_val;
		g_cap_distance = g_cap_distance * 170 / 1000;	//计算距离(mm)
		g_cap_state = 0X00;
	}
}

void TIM4_IRQHandler(void)
{
	u16 sta_val;
	
	sta_val = TIM4->SR;
	if ((g_cap_state & 0X80) == 0X00)	//未捕获
	{
		if (sta_val & 0X01)	//溢出
		{
			if (g_cap_state & 0X40)	//捕获到高电平
			{
				if ((g_cap_state & 0X3f) == 0X3f)	//高电平时间过长
				{
					g_cap_state |= 0X80;	//记录一次捕获
					g_cap_val = 0Xffff;	//溢出时间
				}
				else 
				{
					g_cap_state++;	//继续捕获
				}
			}
		}
		
		if (sta_val & 0X08) //捕获3(通道3)发生捕获事件
		{
			if (g_cap_state & 0X40)	//捕获下降沿
			{
				g_cap_state |= 0X80;	//标记成功捕获一次高电平
				g_cap_val = TIM4->CCR3;	//获取当前捕获值
				TIM4->CCER &= ~(1<<9);	//CC1P=0 设置为上升沿捕获
			}
			else 
			{
				g_cap_state = 0;
				g_cap_val = 0;
				g_cap_state |= 0X40;	//标记捕获到上升沿
				TIM4->CNT = 0;	//清空计数器
				TIM4->CCER |= (1<<9);	//CC1P=1 设置为下降沿捕获
			}
		}
	}
	
	TIM4->SR = 0;	//清除中断标志位
}

hc_sr04.h

#ifndef __HCSR04_H__
#define __HCSR04_H__

#include "sys.h" 

extern u32 g_cap_distance;

extern void timer4_cap_init(u16 timer_arr, u16 timer_psc);
extern void hcsr04_read_distance(void);

#endif

使用呼吸灯表示距离远近

PWM.c

#include "stm32f10x.h"  
#include "PWM.h"

void PWM_Init()
{	
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM1_TimeBaseInitStructure;
	TIM_OCInitTypeDef  TIM1_OCInitStructure;
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	//时钟使能
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_TIM1,ENABLE);
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);
	//初始化定时器参数
	TIM1_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;   //时钟划分
	TIM1_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode =TIM_CounterMode_Up;   //计数器模式向上计数
	TIM1_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 100 -1; //自动重载
	TIM1_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = 720 -1;
	TIM1_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;
	TIM_TimeBaseInit(TIM1,&TIM1_TimeBaseInitStructure);

	//TIM1_OCStructInit(&TIM1_OCInitStructure);
	TIM1_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; //选择定时器模式:TIM脉冲宽度调制模式1
	TIM1_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比较输出使能
	TIM1_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //设置待装入捕获比较寄存器的脉冲值
	TIM1_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //输出极性:TIM输出比较极性高
	TIM_OC1Init(TIM1, &TIM1_OCInitStructure);  //根据TIM_OCInitStruct中指定的参数初始化外设TIMx
	
	//设置该引脚为复用输出功能,输出TIM1 CH1的PWM脉冲波形
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8; //TIM_CH1
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;  //复用推挽输出
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	
	TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);	//MOE 主输出使能	

	//TIM_OC1PreloadConfig(TIM1, TIM_OCPreload_Enable);  //CH1预装载使能	 
	
	//TIM_ARRPreloadConfig(TIM1, ENABLE); //使能TIMx在ARR上的预装载寄存器
	
	TIM_Cmd(TIM1,ENABLE);
	
}

void PWM_SetCompare1(uint16_t compare)
{
	TIM_SetCompare1(TIM1,compare);
}

PWM.h

#ifndef __PWM_H
#define __PWM_H
#include "stm32f10x.h"
void TIM_OC1PolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPolarity);
void TIM_OC1NPolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCNPolarity);
void TIM_OC2PolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPolarity);
void TIM_OC2NPolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCNPolarity);
void TIM_OC3PolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPolarity);
void TIM_OC3NPolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCNPolarity);
void TIM_OC4PolarityConfig(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_OCPolarity);
void TIM_CCxCmd(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_Channel, uint16_t TIM_CCx);
void TIM_CCxNCmd(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_Channel, uint16_t TIM_CCxN);
void TIM_SelectOCxM(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t TIM_Channel, uint16_t TIM_OCMode);
void TIM_SetCompare1(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare1);
void TIM_SetCompare2(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare2);
void TIM_SetCompare3(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare3);
void TIM_SetCompare4(TIM_TypeDef* TIMx, uint16_t Compare4);
void PWM_Init();
//void TIM_CtrlPWMOutputs(TIM1,ENABLE);	//MOE 主输出使能	

#endif

主函数编写

#include "typedef.h"
#include "declares.h"
#include "variable.h"
#include "drvexflash.h"
#include "drvnrf2401.h"
#include "drvadc.h"
#include "drvuart.h"
#include "drvsdcard.h"
#include "hardware_spi.h"
#include "delay.h"
#include "drvled.h"
#include "app_adc.h"
#include "app_flash.h"
#include "app_htu21d.h"
#include "app_at24cxx.h"
#include "drvoled.h"
#include "drvtimer.h"
#include "drvexti.h"
#include <stdio.h>
#include <stdlib.h>
#include <string.h>
#include "logic_grammer.h"
#include "c_language_regular.h"
#include "hcsr04.h"
#include "drvrtc.h"
#include "PWM.h"

void PWM_SetCompare1(uint8_t value);
int main_rtc(void)
{
	u8 i = 0;
	
	delay_init();	    	 //延时函数初始化	
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);// 设置中断优先级分组2
	uart_init(1, 115200 * 8);	 //串口初始化为961200
	Bsp_LedInit();		  	 //初始化与LED连接的硬件接口 
	PWM_Init();
	timer4_cap_init(0Xffff, 72 - 1);
	RTC_Init_LSI(); //内部低速时钟
	while (1)
	{
		hcsr04_read_distance();
		delay_ms(500);
			
		/*GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8);	//启动超声波测量
	delay_ms(500);
	GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_8);*/
	
		if(g_cap_distance<=100){
		PWM_SetCompare1(0);
			delay_ms(10);
		}
		else if(g_cap_distance>100&&g_cap_distance<=200){
		PWM_SetCompare1(40);
				delay_ms(10);
		}
		else if(g_cap_distance>200&&g_cap_distance<=300){
		PWM_SetCompare1(70);
				delay_ms(10);
		}
		else if(g_cap_distance>300){
		PWM_SetCompare1(100);
				delay_ms(10);
		}
		printf("g_cap_distance = %d \r\n", g_cap_distance);	//用串口1打印输出
		/*get_time();
		i++;
	
		delay_ms(10);
		if (g_time_flag)
		{
			g_time_flag = 0;
			printf("RTC Time:20%d-%d-%d %d:%d:%d\r\n",w_year_x, w_month_x, w_date_x, hour_x, min_x, sec_x);//输出时间	
		}*/
	}
}
int main(void)
{
	main_rtc();
	//main_hcr();
}

其余的例如串口初始化或GPIO初始化可详见gitee.

三.效果

四.关于modbus和串口RS485

1）RS485与RS232（UART）有什么不同？
电气特性：

RS485：使用差分信号传输，具有更强的抗干扰能力，可以在较长的距离上传输数据，一般可达1200米。
RS232（UART）：使用单端信号传输，抗干扰能力较弱，传输距离较短，通常在15米以内。
连接方式：

RS485：支持多点通信，即一个总线上可以连接多个设备。
RS232：通常是点对点通信，即一对一的连接方式。
数据速率：

RS485：数据传输速率（波特率）通常在300bps到10Mbps之间。
RS232：数据传输速率较低，一般在300bps到115.2kbps之间。
应用场景：

RS485：常用于工业环境中，因为其抗干扰能力强，适合长距离通信。
RS232：常用于计算机与打印机、调制解调器等设备之间的短距离通信。
电气接口：

RS485：使用9针D-sub连接器，通常使用A和B两个引脚传输数据。
RS232：使用9针或25针D-sub连接器，数据传输主要通过2、3引脚（发送和接收）。
协议复杂性：

RS485：协议相对简单，主要关注物理层和链路层。
RS232：协议较为复杂，包括物理层、数据链路层、网络层等多个层面。
功耗：

RS485：由于使用差分信号，功耗相对较低。
RS232：功耗相对较高，尤其是在长距离传输时。
成本：

RS485：由于其多点通信和长距离传输的特性，可能在某些应用中成本较高。
RS232：由于其简单性和普及性，成本通常较低。

2）Modbus协议是什么？

Modbus协议是一种串行通信协议，最初由Modicon（现在是施耐德电气的一部分）在1979年开发，用于其可编程逻辑控制器（PLC）。Modbus协议广泛应用于工业自动化领域，特别是在监控和控制设备之间进行通信时.
特点：
开放性：Modbus是一个开放的协议，这意味着它不受专利限制，任何制造商都可以免费使用它来开发兼容的设备。

应用层协议：Modbus主要定义了应用层的通信规则，它不指定物理层或数据链路层的具体实现。因此，Modbus可以运行在多种物理介质上，如RS232、RS485、以太网等。

功能码：Modbus使用功能码来定义通信中执行的操作，例如读取或写入寄存器、诊断等。每个功能码对应一个特定的操作。

数据格式：Modbus协议定义了一种简单的数据格式，用于在设备之间传输信息。数据通常以二进制形式传输，并且包含地址、功能码、数据和校验等部分。

多点通信：Modbus支持多点通信，即一个主设备可以与多个从设备通信。在RS485网络上，Modbus使用广播方式来实现这一点。

校验机制：Modbus提供了多种校验机制，包括无校验、奇偶校验和CRC校验，以确保数据传输的可靠性。

简单性：Modbus协议相对简单，易于实现，这使得它在工业自动化领域非常流行。

版本：Modbus有几个版本，包括Modbus ASCII、Modbus RTU（二进制模式）和Modbus TCP/IP。Modbus RTU是最常用的版本，它使用二进制数据格式来减少传输时间。

应用领域：Modbus广泛应用于各种工业控制和自动化系统中，包括制造、电力、石油和天然气、水处理等行业。

集成性：由于其开放性和简单性，Modbus协议可以很容易地与其他控制系统和协议集成，如BACnet、OPC等

3）如果让你设计一款 12路车载超声波雷达，采用 stm32F103+HC-SR04超声波模块，对外提供RS485和Modbus协议，你的设计方案是什么？

1. 系统架构
   主控制器：STM32F103负责协调整个系统，处理数据，以及与外部设备通信。
   超声波传感器：HC-SR04模块用于检测距离，每个模块可以测量一个方向的距离。
   RS485通信接口：用于与其他车载系统或中央控制单元通信。
   Modbus协议：实现标准的Modbus通信，便于集成到现有的工业自动化系统中。
2. 硬件设计
   STM32F103：选择具有足够GPIO引脚和串行通信接口的型号。
   HC-SR04模块：每个模块包含一个超声波发射器和一个接收器，需要12个模块来覆盖车辆周围。
   电源管理：设计电源电路为STM32和超声波模块提供稳定的电源。
   RS485通信电路：包括驱动器和接收器，以及终端电阻等。
   接口电路：可能需要设计一些接口电路来适配Modbus协议。
3. 软件设计
   驱动程序：编写HC-SR04超声波模块的驱动程序，实现距离测量功能。
   Modbus协议栈：实现Modbus RTU协议栈，处理Modbus命令和响应。
   RS485通信：实现RS485通信协议，确保数据的正确发送和接收。
   数据处理：编写算法处理超声波数据，如滤波、平均等，以提高测量精度。
   用户接口：可能包括一些基础的用户接口，如LED指示灯或LCD显示屏，显示状态信息。
4. 系统整合
   布线：合理布线，确保超声波传感器的信号线和电源线不会相互干扰。
   测试：进行单元测试、集成测试和系统测试，确保系统稳定可靠。
   外壳设计：设计适合车载环境的外壳，保护内部组件。
5. 功能实现
   距离测量：每个HC-SR04模块测量一个方向的距离，STM32F103收集所有数据。
   数据同步：设计同步机制，确保所有传感器数据的一致性。
   Modbus功能码：定义Modbus功能码来读取距离数据、设置参数等。
   错误处理：实现错误检测和处理机制，如传感器故障、通信错误等。

五.总结

这次作业实现了HC_SR04模块的超声波测距，加深了我对modbus,RS485的认识.