超声波测距原理
利用HC-SR04超声波测距模块可以实现比较精确的直线测距，其测距原理图如下：

/ g5 T( l: p% o$ R

8 H5 K( I9 w4 QHC-SR04的一端发出超声波，接触到反射物后反射，被另一个端口接收到，所以只要知道发射和接收的时间差，就可以根据声波传播的速率算出HC-SR04和反射物直接的距离。
# G* Z6 Y( b; m) R所以实现超声波测距就需要俩个条件：
5 A5 ]) E5 c+ J# o2 k* u发射和接收的时间差
- i! w  C1 ~1 [- D( g超声波传输的速率
HC-SR04工作原理
HC-SR04模块的电气参数如示：
  k, x3 R3 C9 L. D
; T  F. \  n. |2 x% M4 j

HC-SR04模块的实物图如示：


4 x8 M, D- _) W) ]6 O
6 O6 x( T* Q2 ^; b6 g有四个引脚：
& a3 b% M2 T+ R; W/ T* [Vcc：+5V电源供电
/ B' M  b2 Q+ D+ cTrig：输入触发信号（可以触发测距）
0 G+ Q3 x, x, o! TEcho：传出信号回响（可以传回时间差）
Gnd：接地

& ]" K1 N! p9 h2 q: e+ v# N用Trig和Echo引脚实现测距的流程：
1.通过Trig输出一段至少10us的高电平（脉冲），触发一次测距，超声波在传输的过程中Echo一直输出高电平。
8 A0 [) ^2 c* T. M2.在Trig脉冲输出后，立即检测Echo引脚的电平，测出Echo高电平持续的时间t，t就是超声波在所测距离一个来回所需时间。
9 I1 g0 I2 B4 ?% q; Y. K' ]# L* O
* _: Y( v& e5 i  h测距时序图如示：



9 j7 z2 j4 Z2 `1 }0 B" a7 mSTM32实现驱动
& w# m7 ?4 n* V# Y( h  i利用STM32驱动HC-SR04需要做好几个关键点：
引脚的配置
' i. Q$ h4 v; E  d7 t2 }$ U! A! h时序的控制
时间差的测量

" g8 R- a' O/ e% v下面来分开实现几个关键点

$ {8 l' u) h8 E" Z' Z1.引脚的配置
% V! N2 p  S& R$ L6 s- R! U+ O! @HC-SR04四个引脚，Vcc和Gnd直接接在开发板的电源上即可，主要是Trig和Echo引脚的配置，我选择了PB1连接Trig引脚、PB2连接Echo引脚。
9 r  `. ~  v6 v7 L5 b) T因为要控制Trig输出电平，所以PB1引脚模式是推挽输出GPIO_Mode_Out_PP
Echo要检测高电平持续的时间，所以PB2引脚模式是浮空输入GPIO_Mode_IN_FLOATING
相关的配置代码如下：

1. void SR04_GPIO_Init( void )
   " M: E6 d3 h- h8 g" o1 m0 q
2. {
   / {4 v$ l" h. i" Y" t, h* I- m
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
   
4.         RCC_APB2PeriphClockCmd( Trig_Clock  |Echo_Clock , ENABLE );
   " f, s$ L$ _% G1 l
5.        
   - [- Q$ |: L( G) k) }# q$ O9 M5 |
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
   
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Trig_PIN;
   , ?3 @2 k; l( V: L: C$ j6 c7 `
8.         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   ; r3 t4 B' F$ V1 S( m! R  t* u
9.         GPIO_Init(Trig_PORT, &GPIO_InitStruct);
   2 s; G% Y5 L( M( k! y" E9 E2 c% D
10.        
    ) i1 `+ |# z0 n: j( i
11.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    # t% H5 C  \. F3 a2 M- k* U5 W
12.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Echo_PIN;
    ' V, B1 a8 q7 x6 h4 d+ F; m$ t
13.         GPIO_Init(Echo_PORT, &GPIO_InitStruct);
    $ E* R* l( X$ L, a- O5 B1 o) z' _
14. }
    . Y" w* R% t9 a

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2.时序控制
7 [- E- M4 V1 i3 j+ _. @; xHC-SR04的时序是：先来一段10us的Trig高电平，接着接收一段Echo的高电平，伪代码如下：

1. #define Trig_H  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)
   
2. #define Trig_L  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)
   
3. 
   7 ~9 J8 U7 T. ^( b/ L1 @5 E
4. /* Trig给一个至少10us的高电平，超声波进行一次测距 */
   
5.         Trig_H;
   : f% P0 E% N/ m0 {
6.         Delay_us( 10 );
   % I: C8 p' h  m6 d
7.         Trig_L;
   1 _. F; T' U+ I' {
8. /* 等待Echo高电平 */
   % O0 h2 J; q9 t" i

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* \  x& w% D& ?" Y3.时间差测量
8 W8 \7 n5 \) D  f这个是最重要的一步，要测量Echo高电平持续的时间，因为光传播的速率是340m/s，而测距的范围大多是cm级别，所以相应Echo高电平持续的时间也就是us级别的。
: e- p, }1 V' n2 h4 R( t4 X所以，测量时间差的条件就比较苛刻，我是利用SysTick（系统计数器）的原理实现计时的。SysTick计数器原理是对通过SysTick_Config()函数配置每俩次中断之间的节拍数，也就是俩次中断之间的机器周期，我大概算出了，测出0.1cm距离的Echo高电平时间约为6um，而系统时钟的频率是72MHz，所以配置每俩次中断之间的节拍为432的时候，进入一次中断就代表0.1cm的距离，所以只需要记录进入中断的次数就可以算出距离。通过一个全局变量在中断函数中自增来记录中断次数。SysTick_Config函数源代码如下：
' v7 V; b% ^' B3 d* }

1. static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
   
2. {
   
3.         /* 判断ticks 是否超出装填值和重装值的最大值 */
   
4.   if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);            
   5 |* S* w9 f( ]+ {  d
5.   
   
6.   /* 配置 装载寄存器 */       
   
7.   SysTick->LOAD  = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;     
   ) }3 |) E3 C8 s; h" K
8.         /* 配置 内核中断的优先级，也是在NVIC中 */
     d& A& Q2 ~+ d% `: S" s4 l2 v6 t
9.   NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);
   
10.         /* 加载计数器的值 */
    5 G3 D: ~$ [$ i; C% \2 O$ h
11.         /* SysTick->VAL是当前数值寄存器的值 */
    
12.   SysTick->VAL   = 0;      
    2 }5 S( k4 }: p5 ?, [8 O7 X
13. 
    
14.         /* CTRL是SysTick控制及状态寄存器：
    - ]/ z: X( m2 Y, z
15.                 CLKSOURCE：位段2 时钟源选择，0=APB/8；1=APB  APB即72MHz
    
16.           TICKINT:   位段1 当置为1时，计数器递减到0时会产生中断请求；当置为0时无动作
    
17.           ENABLE：   位段0 使能位，可以启动SysTick定时器*/
    
18.         SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
      |0 O8 b- P- N$ t
19.                    SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
    
20.                    SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                  
    
21.   return (0);                                             
    1 J) G6 q; d) o5 a2 I2 f* m6 f' _
22. }
    
23. 
      D9 P2 `- w$ S# R, {' U

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1 M( F* l; V9 C2 A1 ySysTick的具体原理可以参考一下我之前的博客：SysTick原理

注意：SysTick_Config()函数执行完就开启了中断，所以必须在Echo为低电平后及时关闭中断，并且将记录中断的变量清零。
. B$ U: K1 l( ^( `6 s# B$ L! T# l
  f- k% N; L7 K2 n) i中断函数如示：

1. /* 用extern和volatile关键字修饰的 全局变量n */
   
2. extern volatile uint32_t n;
   ; H7 m' j. Z/ k  ]
3. 
   
4. void SysTick_Handler(void)
   
5. {
   
6.         n++;
   
7. }
   

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. z+ _6 T& w0 [; ~+ X) l/ s关闭中断及清零n的代码如下：
) Z# \( a' r0 R2 [& Z

1. /* 本来的使能位取反 */
   5 U' \+ I6 z1 z( p
2. SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
   

复制代码

SysTick->CTRL寄存器的0位控制着中断的使能，具体情况在之前SysTick的博客中已做详细说明。
( E6 S. M) k: N3 y
% G' t4 A' z7 ~6 ?; X7 R) o' i  i  U4.如何将距离测出来
我在main函数中实现了距离的测量，并且通过串口打印函数将距离传到上位机，具体代码如示：

1. int main(void)
   
2. {
   5 H" _% }, I2 ]" e
3. 
   . Y# J7 N) ^8 S- h) n0 x% T; P) d
4.         int i=1,q;
   
5.         float p;
   2 h7 e9 g2 Y0 |( y5 }2 z1 E
6.         /* HC-SR04模块引脚初始化 */
   
7.         SR04_GPIO_Init();
   ' L8 s1 K4 ^6 o7 D1 C
8.         /* 串口相关配置 */
   
9.         GQ_UART_Config();
   3 r2 ?" y; @* b/ l, ^& a
10.         /* 打印调试信息 */
    
11.         printf("慢漫的测距实验\n ");
    / {* \' u' f' A/ @: r) [$ E
12.        
    
13.        
    
14.         while( 1 )
    
15.         {
    7 s. g8 E) p8 r6 @8 h9 o& g
16.                 /* 每0.5s测一次距离 */
    ! ]0 B% |4 |- t5 V
17.                 Delay_ms( 500 );
    6 J' i; o( _$ W; o
18.        
    # \, h6 s/ ^) m) Y
19.                 /* Trig给一个至少10us的高电平，超声波进行一次测距 */
    , r' Z/ [( y8 `
20.                 Trig_H;
    
21.                 Delay_us( 10 );
    
22.                 Trig_L;
    
23.                 /* 等待Echo高电平 */
    
24.                 while( Echo_Value != 1 );
    * r+ K7 M( \/ T% F
25.                 /* 打开中断，对Echo高电平时间计时 */
    
26.                 /* 配置计数器的装载值是72*6=432，即一次中断6um，正好是超声波的0.1cm，所以中断次数n对应着n*0.1cm */
    0 z( m" J! B* {6 \% T0 Y
27.                 /* SysTick_Config()中已经使能计数器了,所以无需再开启        */
    # I* B1 O7 U6 ]6 L+ I
28.                 SysTick_Config( 432 );
    6 g0 L5 E, R& s' [1 `, {3 B$ _1 H1 C
29.                 /* 等待直到Echo为低电平 */
    
30.                 while(Echo_Value == 1);
    
31.                 /* 关闭中断，通过参数n来取得距离参数 */
    
32.                 /* 本来的使能位取反 */
    
33.                 SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
    
34.                 /* p、q分别是距离的整数部分和小数部分 */
    
35.                 p=n/10;
    
36.                 q=n%10;
    , F/ s6 C4 ^6 r
37.                 /* 打印距离信息 */
    ' z; T! N! O0 q4 |2 T7 p
38.                 /* p-50时经过调试的，因为测量的距离和诸多因素有关，这个操作减小了误差 */
    * {$ q1 g% ^4 g7 V0 S# i- y+ Q
39.                 printf("第%d次测量为：%.0f.%dcm\n",i,p-50,q);
    
40.                 i++;
    
41.                 /* 清零中断记录变量n */
    
42.                 n=0;
    
43.         }
    
44.        
    
45. }
    

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