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【经验分享】stm32与HC-SR04超声波传感器测距

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STMCU小助手 发布时间:2022-1-16 18:12
首先,先来看一下这个模块的基本功能和原理。
HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感测功能,测距精度可达高到3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。像智能小车的测距以及转向,或是一些项目中,常常会用到。智能小车测距可以及时发现前方的障碍物,使智能小车可以及时转向,避开障碍物。
注意是5v输入,但是我用stm32 的3.3v输入也是没有问题的。

892371-20160405175004984-1373897222.png

二.工作原理
      1.给超声波模块接入电源和地。
      2.给脉冲触发引脚(trig)输入一个长为20us的高电平方波
      3.输入方波后,模块会自动发射8个40KHz的声波,与此同时回波引脚(echo)端的电平会由0变为1;(此时应该启动定时器计时)
      4.当超声波返回被模块接收到时,回波引 脚端的电平会由1变为0;(此时应该停止定时器计数),定时器记下的这个时间即为超声波由发射到返回的总时长。
      5.根据声音在空气中的速度为344米/秒,即可计算出所测的距离。
      要学习和应用传感器,学会看懂传感器的时序图是很关键的,所以我们来看一下HC-SR04的时序触发图。
892371-20160405175234031-1177610742.png    

    我们来分析一下这个时序图,先由触发信号启动HC-RS04测距模块,也就是说,主机要先发送至少10us的高电平,触发HC-RS04,模块内部发出信号是传感器自动回应的,我们不用去管它。输出回响信号是我们需要关注的。信号输出的高电平就是超声波发出到重新返回接收所用的时间。用定时器,可以把这段时间记录下来,算出距离,别忘了结果要除于2,因为总时间是发送和接收的时间总和。
下面是亲测可用的驱动程序。
芯片型号为stm32f103zet6,超声波测距后通过串口打印到电脑上面。
驱动和测距;
  1. //超声波测距

  2. #include "hcsr04.h"

  3. #define HCSR04_PORT     GPIOB
  4. #define HCSR04_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOB
  5. #define HCSR04_TRIG     GPIO_Pin_5
  6. #define HCSR04_ECHO     GPIO_Pin_6

  7. #define TRIG_Send  PBout(5)
  8. #define ECHO_Reci  PBin(6)

  9. u16 msHcCount = 0;//ms计数

  10. void Hcsr04Init()
  11. {  
  12.     TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;     //生成用于定时器设置的结构体
  13.     GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
  14.     RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);
  15.      
  16.         //IO初始化
  17.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;       //发送电平引脚
  18.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
  19.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
  20.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);
  21.     GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);
  22.      
  23.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =   HCSR04_ECHO;     //返回电平引脚
  24.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
  25.     GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
  26.         GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);   
  27.      
  28.             //定时器初始化 使用基本定时器TIM6
  29.         RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);   //使能对应RCC时钟
  30.         //配置定时器基础结构体
  31.         TIM_DeInit(TIM2);
  32.         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
  33.         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
  34.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//不分频
  35.         TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
  36.         TIM_TimeBaseInit(TIM6, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位         
  37.         
  38.         TIM_ClearFlag(TIM6, TIM_FLAG_Update);   //清除更新中断,免得一打开中断立即产生中断
  39.         TIM_ITConfig(TIM6,TIM_IT_Update,ENABLE);    //打开定时器更新中断
  40.         hcsr04_NVIC();
  41.     TIM_Cmd(TIM6,DISABLE);     
  42. }


  43. //tips:static函数的作用域仅限于定义它的源文件内,所以不需要在头文件里声明
  44. static void OpenTimerForHc()        //打开定时器
  45. {
  46.         TIM_SetCounter(TIM6,0);//清除计数
  47.         msHcCount = 0;
  48.         TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);  //使能TIMx外设
  49. }

  50. static void CloseTimerForHc()        //关闭定时器
  51. {
  52.         TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);  //使能TIMx外设
  53. }


  54. //NVIC配置
  55. void hcsr04_NVIC()
  56. {
  57.             NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
  58.             NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
  59.    
  60.             NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM6_IRQn;             //选择串口1中断
  61.             NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //抢占式中断优先级设置为1
  62.             NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;         //响应式中断优先级设置为1
  63.             NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;        //使能中断
  64.             NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
  65. }


  66. //定时器6中断服务程序
  67. void TIM6_IRQHandler(void)   //TIM3中断
  68. {
  69.         if (TIM_GetITStatus(TIM6, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM3更新中断发生与否
  70.         {
  71.                 TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志
  72.                 msHcCount++;
  73.         }
  74. }


  75. //获取定时器时间
  76. u32 GetEchoTimer(void)
  77. {
  78.         u32 t = 0;
  79.         t = msHcCount*1000;//得到MS
  80.         t += TIM_GetCounter(TIM6);//得到US
  81.           TIM6->CNT = 0;  //将TIM2计数寄存器的计数值清零
  82.                 Delay_Ms(50);
  83.         return t;
  84. }


  85. //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
  86. //为了消除余震的影响,取五次数据的平均值进行加权滤波。
  87. float Hcsr04GetLength(void )
  88. {
  89.         u32 t = 0;
  90.         int i = 0;
  91.         float lengthTemp = 0;
  92.         float sum = 0;
  93.         while(i!=5)
  94.         {
  95.         TRIG_Send = 1;      //发送口高电平输出
  96.         Delay_Us(20);
  97.         TRIG_Send = 0;
  98.         while(ECHO_Reci == 0);      //等待接收口高电平输出
  99.             OpenTimerForHc();        //打开定时器
  100.             i = i + 1;
  101.             while(ECHO_Reci == 1);
  102.             CloseTimerForHc();        //关闭定时器
  103.             t = GetEchoTimer();        //获取时间,分辨率为1US
  104.             lengthTemp = ((float)t/58.0);//cm
  105.             sum = lengthTemp + sum ;
  106.         
  107.     }
  108.         lengthTemp = sum/5.0;
  109.         return lengthTemp;
  110. }


  111. /*:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  112. ** 函数名称: Delay_Ms_Ms
  113. ** 功能描述: 延时1MS (可通过仿真来判断他的准确度)            
  114. ** 参数描述:time (ms) 注意time<65535
  115. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::*/
  116. void Delay_Ms(uint16_t time)  //延时函数
  117. {
  118.     uint16_t i,j;
  119.     for(i=0;i<time;i++)
  120.           for(j=0;j<10260;j++);
  121. }
  122. /*:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  123. ** 函数名称: Delay_Ms_Us
  124. ** 功能描述: 延时1us (可通过仿真来判断他的准确度)
  125. ** 参数描述:time (us) 注意time<65535                 
  126. :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::*/
  127. void Delay_Us(uint16_t time)  //延时函数
  128. {
  129.     uint16_t i,j;
  130.     for(i=0;i<time;i++)
  131.           for(j=0;j<9;j++);
  132. }
复制代码

但是关于USART的函数我就不往上写了,这个简单的串口打印大家应该都会写。下面简单贴一下我的主函数吧。
  1. /*
  2. 教训:实验前一定要检查引脚连接是否正确,万不可搞错,不然又要烧坏芯片!!!!

  3. */

  4. #include "hcsr04.h"
  5. #include "chao_usart.h"

  6. int main()
  7. {
  8.    
  9.         float length;
  10.         
  11.         GPIO_cfg();
  12.       NVIC_cfg();
  13.         USART_cfg();   
  14.         printf("串口初始化成功!\n");
  15.    
  16.         Hcsr04Init();   
  17.         printf("超声波初始化成功!\n");//测试程序是否卡在下面两句上面

  18.         length = Hcsr04GetLength();
  19.         printf("距离为:%.3f\n",length);
  20.    
  21.    
  22. }
复制代码


实验结果:

1083998-20170608202310075-325550842.png

好了,其实这个模块很简单,但是要是把他用的很好的话还是比较困难的,比如用超声波做一个四轴定高的程序,还是有一定的挑战性的。
写这篇博客的目的不仅仅是介绍这个模块的使用,其实这种使用介绍网上一搜一大把,我只是想纪录一下,我在做这个模块的时候遇到的一些其他的问题。
其中有一个小插曲,就是当吧写好的程序烧进去之后,运行时总是出现每次返回一个同样的比正常值小的多的数据,比如说0.034cm,这明显是一个错误的数据,但是刚开始的时候,不知道为什么
总是这样,多次复位从新上电总是这一个数据。让我很是苦恼。但是幸运的是,在这样的情况中间,他又会有时出现一两个正常的的数据,让你有点摸不着头脑。
上网查了一下才慢慢明白,这种现象叫做“余震”,网上关于余震的解释大致有三种:
  1、探头的余震。即使是分体式的,发射头工作完后还会继续震一会,这是物理效应,也就是余震。这个余震信号也会向外传播。如果你的设计是发射完毕后立刻切换为接收状态(无盲区),那么这个余震波会通过壳体和周围的空气,直接到达接收头、干扰了检测(注:通常的测距设计里,发射头和接收头的距离很近,在这么短的距离里超声波的检测角度是很大的,可达180度)。
  2、壳体的余震。就像敲钟一样,能量仍来自发射头。发射结束后,壳体的余震会直接传导到接收头,当然这个时间很短,但已形成了干扰。另外,在不同的环境温度下,壳体的硬度和外形会有所变化,其余震有时长、有时短、有时干扰大、有时干扰小,这是设计工业级产品时必须要考虑的问题。
  3、电路串扰。超声波发射时的瞬间电流很大,例如某种工业级连续测距产品瞬间电流会有15A,通常的产品也能达到1A,瞬间这么大的电流会对电源有一定影响,并干扰接收电路。通过改善电源设计可以缓解这种情况,但在低成本设计中很难根除。所以每次发射完毕,接收电路还需要一段时间稳定工作状态。在此期间,其输出的信号很难使用。

消除上述现象的方法之一就是在检测的时候多次循环检测,取平均值,也就是加权平均滤波,一个简单的滤波处理。就是下面这一段:
  1. int i = 0;
  2.         float lengthTemp = 0;
  3.         float sum = 0;
  4.         while(i!=5)
  5.         {
  6.         TRIG_Send = 1;      //发送口高电平输出
  7.         Delay_Us(20);
  8.         TRIG_Send = 0;
  9.         while(ECHO_Reci == 0);      //等待接收口高电平输出
  10.             OpenTimerForHc();        //打开定时器
  11.             i = i + 1;
  12.             while(ECHO_Reci == 1);
  13.             CloseTimerForHc();        //关闭定时器
  14.             t = GetEchoTimer();        //获取时间,分辨率为1US
  15.             lengthTemp = ((float)t/58.0);//cm
  16.             sum = lengthTemp + sum ;
  17.         
  18.     }
  19.         lengthTemp = sum/5.0;
  20.         return lengthTemp;
复制代码


加了这个之后,基本上就没有出现余震现象了。
还有一点就是测试程序前一定要检查引脚有没有接错,不管多有把握,也要看一遍,不然很容易出大事的,一个芯片也许就因为你的大意给GG了。切记,这个应该也算我们这个行业的基本素养吧。

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