STM32——玩转超声波传感器

1.什么是超声波？

超声波的基本特点：

2.超声波传感器介绍：HC-SR04

HC-SR04 主要特点：

HC-SR04 接线如下：

HC-SR04 工作原理：

如何编写超声波测距代码？

编写逻辑：

编写思路：

1.配置GPIO口：

2.初始化定时器：

3.利用超声波来回时间计算距离：

完整代码：

hcsr04.c

hcsr04.h

main.c

1.什么是超声波？

声音是由物体振动产生的，人能听到的频率在20Hz~20kHz，超声波是指频率高于人类听觉范围的声波。

频率小于20Hz的叫次声波，频率大于20kHz的叫超声波

超声波的基本特点：

        1.高频率：超声波的频率超过20,000 Hz，一般应用中使用的频率通常在几百千赫兹到几兆赫兹（MHz）之间。
        2. 高指向性：超声波具有较强的方向性，容易集中成一束，传播时能量集中，因此可以被精确地控制和引导。
        3. 穿透性强：超声波可以穿透许多材料，尤其是液体和人体组织，所以广泛用于医学成像。
        4. 反射和散射：超声波遇到不同材料的界面时，会发生反射和散射，这一特性在超声波成像和检测中非常有用。

2.超声波传感器介绍：HC-SR04

HC-SR04 是一种常用的超声波距离传感器，广泛用于机器人、测距、物体检测等领域。它通过发射超声波并检测回波来测量与物体的距离，工作原理类似于蝙蝠或海豚的回声定位。

HC-SR04 主要特点：

探测距离：2~600cm
探测精度：0.1cm±1%
感应角度：<15°
输出方式：GPIO
工作电压：DC 3~5.5V
工作电流：5.3mA
工作温度：-40~85℃

HC-SR04 接线如下：

HC-SR04	STM32	备注
VCC	3.3/5V	外接直流电源
Trig（触发信号）	任意一个GPIO口	超声波输入端——单片机输出
Echo（回波信号）	任意一个GPIO口	超声波输出端——单片机输入
GND	GND	接地

HC-SR04 工作原理：

1.向Trig引脚发送一个10us的高电平脉冲，传感器开始发射超声波。
2. 超声波遇到障碍物后反射回传感器，Echo 引脚输出一个高电平信号，其持续时间与超声波从发射到返回的时间成正比。
3. 根据声音在空气中的传播速度（约343米/秒），通过公式—距离 = (高电平时间 × 声速) / 2 计算出物体与传感器的距离。

正常时序流程：

单片机给超声波模块发送大于 10us 的高电平的触发信号；
超声波模块收到触发信号后 Trig 端发送 8个40kHz 的超声波脉冲；
Echo 端由低电平转为高电平，同时开始发送超声波；
超声波模块检测到返回信号，Echo 端由高电平转为低电平；
Echo 端高电平宽度即为超声波传播时间。

如何编写超声波测距代码？

编写逻辑：

1.怎么发送超声波？

单片机给超声波模块Trig引脚发送大于 10us 的高电平的触发信号；

2.怎么知道发出来了超声波？

超声波模块的Echo 端由低电平转为高电平，表示开始发送超声波；

3.怎么知道接收到了超声波？

超声波模块Echo 端由高电平转为低电平，表示检测到返回信号；

4.怎么计算时间？

Echo引脚维持高电平的时间

（在超声波发出的那一刻我们启动定时器，波返回来的那一刻定时器停止计数）

5.怎么计算距离？

距离 = (高电平时间 × 声速) / 2

编写思路：

1.配置GPIO口：

首先我们应该先看一下用哪个引脚来接入超声波模块——配置GPIO口

我们选用GPIOB的Pin6和Pin7脚，并将他们在头文件中宏定义，方便之后的调用，使代码更加清晰。（其中Pin6脚的作用是输出大于10us的高电平信号给Trig、Pin7脚的作用是接收Echo回波信号）——所以在这里我们并不用特别去选取引脚，只要能正常使用就行，只需注意给他相应的配置。

#define TRIG_PORT                   GPIOB
#define TRIG_PIN                    GPIO_PIN_6

#define ECHO_PORT                   GPIOB
#define ECHO_PIN                    GPIO_PIN_7

配置GPIO口时，首先要记得开启时钟：

#define TRIG_GPIO_CLK_ENABLE()      __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define ECHO_GPIO_CLK_ENABLE()      __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()

然后调用：HAL_GPIO_Init();——进行初始化

void hcsr04_gpio_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;
    //打开时钟
    TRIG_GPIO_CLK_ENABLE();
    ECHO_GPIO_CLK_ENABLE();
    
    //初始化Trig引脚
    gpio_initstruct.Pin = TRIG_PIN;
    gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;     //推挽输出模式        
    gpio_initstruct.Pull = GPIO_NOPULL;   //不上拉也不下拉                  
    gpio_initstruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;        //引脚设置为高速   
    HAL_GPIO_Init(TRIG_PORT, &gpio_initstruct);
    
	//初始化Echo引脚
    gpio_initstruct.Pin = ECHO_PIN;
    gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;       //输入模式，接收Echo的回波信号      
    HAL_GPIO_Init(ECHO_PORT, &gpio_initstruct);
}

2.初始化定时器：

然后，我们需要超声波测距，需要知道超声波的来回时间具体是多少，所以我们需要初始化一个定时器，用于测量 Echo 高电平宽度——这里我们初始化了通用定时器2

我们先调用：HAL_TIM_Base_Init(&tim2_handle);—对定时器2进行初始化

然后调用void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)函数初始化定时器的时钟。

MSP函数主要负责外设的低层初始化（如时钟、引脚等）

TIM_HandleTypeDef tim2_handle = {0};//定时器句柄结构体，存储定时器 TIM2 的配置信息

//定时器初始化函数
void tim2_init(void)
{
    tim2_handle.Instance = TIM2;	//指定定时器为Tim2
    tim2_handle.Init.Prescaler = 72 - 1;	//分频系数
    tim2_handle.Init.Period = 65536 - 1;	//定时器周期—计数器从0记到65535
    tim2_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;		//向上计数
    tim2_handle.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;	
	//定时器溢出后，定时器的自动重载值会立即生效
    HAL_TIM_Base_Init(&tim2_handle);
}

/*msp函数——主要负责外设的低层初始化：如时钟、引脚*/
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim->Instance == TIM2)	//该函数检查传递过来的 htim 句柄是否属于TIM2 实例
    {
        __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();	//启用定时器时钟
    }
}

其中，对于分频系数和定时周期的计算，我们利用定时器溢出时间计算的公式。

  tim2_handle.Init.Prescaler = 72 - 1;	//分频系数
  tim2_handle.Init.Period = 65536 - 1;	//定时器周期—计数器从0记到65535

（这里的（PSC+1）/Ft代表的意思是计一个数所花的时间）

72/72M=1us ARR+1=65536表示一直记到65.536ms计数器才溢出

3.利用超声波来回时间计算距离：

首先，我们需要封装四个函数：

/*启动定时器*/
void tim2_start(void)
{
    HAL_TIM_Base_Start(&tim2_handle);
}
/*停止定时器*/
void tim2_stop(void)
{
    HAL_TIM_Base_Stop(&tim2_handle);
}
/*获取定时器的值*/
uint16_t tim2_get_cnt(void)
{
    return __HAL_TIM_GetCounter(&tim2_handle);//该函数可以返回当前计数器的值
}
/*设置定时器的值*/
void tim2_set_cnt(uint16_t val)
{
    __HAL_TIM_SetCounter(&tim2_handle, val);//该函数可以将计数器值设置为传入参数val
}

然后我们利用之前HC-SR04的工作原理列出的逻辑进行编写代码

float hcsr04_get_length(void)
{
	uint16_t total_time=0;
	float distance = 0;
	
	/*首先发出超过10us的高电平信号，超声波模块发出超声波*/
	TRIG_HIGH();
	delay_us(15);
	TRIG_LOW();
	
	while(ECHO_STATUS()==RESET);//低电平的时候就一直不读取
	/*Echo引脚，由低电平跳转到高电平，表示开始发送波-计时开始*/
	tim2_start();
	tim2_set_cnt(0);
	
	while(ECHO_STATUS()==SET);//高电平的时候就一直计数
	/*Echo，由高电平跳转回低电平，表示波回来了-计数停止*/
	tim2_stop();
	/*计算超声波来回时长*/
	total_time = tim2_get_cnt();
	
	/*计算距离- 距离 = 速度（343m/s） * 时间*/
	distance = total_time * 0.01715;
	
	return distance;
}

完整代码：

hcsr04.c

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

TIM_HandleTypeDef tim2_handle = {0};//定时器句柄结构体，存储定时器 TIM2 的配置信息

//定时器初始化函数
void tim2_init(void)
{
    tim2_handle.Instance = TIM2;	//指定定时器为Tim2
    tim2_handle.Init.Prescaler = 72 - 1;	//分频系数
    tim2_handle.Init.Period = 65536 - 1;	//定时器周期—计数器从0记到65535
    tim2_handle.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;		//向上计数
    tim2_handle.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;	
	//定时器溢出后，定时器的自动重载值会立即生效
    HAL_TIM_Base_Init(&tim2_handle);
}

/*msp函数——主要负责外设的低层初始化：如时钟、引脚*/
void HAL_TIM_Base_MspInit(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    if(htim->Instance == TIM2)	//该函数检查传递过来的 htim 句柄是否属于TIM2 实例
    {
        __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();	//启用定时器时钟
    }
}

/*启动定时器*/
void tim2_start(void)
{
    HAL_TIM_Base_Start(&tim2_handle);
}
/*停止定时器*/
void tim2_stop(void)
{
    HAL_TIM_Base_Stop(&tim2_handle);
}
/*获取定时器的值*/
uint16_t tim2_get_cnt(void)
{
    return __HAL_TIM_GetCounter(&tim2_handle);//该函数可以返回当前计数器的值
}
/*设置定时器的值*/
void tim2_set_cnt(uint16_t val)
{
    __HAL_TIM_SetCounter(&tim2_handle, val);//该函数可以将计数器值设置为传入参数val
}

void hcsr04_gpio_init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef gpio_initstruct;
    //打开时钟
    TRIG_GPIO_CLK_ENABLE();
    ECHO_GPIO_CLK_ENABLE();
    
    //初始化Trig引脚
    gpio_initstruct.Pin = TRIG_PIN;
    gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;     //推挽输出模式        
    gpio_initstruct.Pull = GPIO_NOPULL;   //不上拉也不下拉                  
    gpio_initstruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;        //引脚设置为高速   
    HAL_GPIO_Init(TRIG_PORT, &gpio_initstruct);
    
	//初始化Echo引脚
    gpio_initstruct.Pin = ECHO_PIN;
    gpio_initstruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;             
    HAL_GPIO_Init(ECHO_PORT, &gpio_initstruct);
}

void hcsr04_init(void)
{
    tim2_init();
    hcsr04_gpio_init();
}

float hcsr04_get_length(void)
{
	uint16_t total_time=0;
	float distance = 0;
	
	/*首先发出超过10us的高电平信号，超声波模块发出超声波*/
	TRIG_HIGH();
	delay_us(15);
	TRIG_LOW();
	
	while(ECHO_STATUS()==RESET);//低电平的时候就一直不读取
	/*高电平来了-计时开始*/
	tim2_start();
	tim2_set_cnt(0);
	
	while(ECHO_STATUS()==SET);//高电平的时候就一直计数
	/*低电平来了-计数停止*/
	tim2_stop();
	/*计算超声波来回时长*/
	total_time = tim2_get_cnt();
	
	/*计算距离*/
	distance = total_time * 0.01715;
	
	return distance;
}

hcsr04.h

#ifndef __HCSR04_H__
#define __HCSR04_H__

#include "sys.h"

#define TRIG_PORT                   GPIOB
#define TRIG_PIN                    GPIO_PIN_6
#define TRIG_GPIO_CLK_ENABLE()      __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define TRIG_HIGH()                 HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET)
#define TRIG_LOW()                  HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET)

#define ECHO_PORT                   GPIOB
#define ECHO_PIN                    GPIO_PIN_7
#define ECHO_GPIO_CLK_ENABLE()      __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE()
#define ECHO_STATUS()               HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_PORT, ECHO_PIN)

void hcsr04_init(void);
float hcsr04_get_length(void);

#endif

main.c

#include "sys.h"
#include "delay.h"
#include "led.h"
#include "uart1.h"
#include "hcsr04.h"

int main(void)
{
    HAL_Init();                         /* 初始化HAL库 */
    stm32_clock_init(RCC_PLL_MUL9);     /* 设置时钟, 72Mhz */
    uart1_init(115200);
    hcsr04_init();

    while(1)
    { 
        printf("dis: %.2f\r\n", hcsr04_get_length());
        delay_ms(1000);
    }
}