超声波测距原理
+ E( L% e( d2 C, ~* a& l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：
* `, v) ]1 h7 R! P- \( \


HC-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。
所以实现超声波测距就需要俩个条件：
发射和接收的时间差
/ F; y3 N5 r1 r2 ^% I超声波传输的速率
HC-SR04工作原理
3 r+ Y9 S2 a0 K, ~" eHC-SR04模块的电气参数如示：
4 c" K7 C0 n' ^: t0 O
. d5 C; D: D9 }0 C* C% L! N1 d. q

HC-SR04模块的实物图如示：

, n/ V2 k& |3 i1 O. Q# c9 F$ l) ?

有四个引脚：
, C4 ?$ F- _0 n7 }& f0 CVcc：+5V电源供电
+ }, c2 E3 K6 X9 z0 Z7 ETrig：输入触发信号（可以触发测距）
. ^" ^6 Z" h" B" s: k& E2 W% AEcho：传出信号回响（可以传回时间差）
# [4 e/ D9 g& y4 ^4 wGnd：接地
* m; E2 [- p& x/ |: F) A: w6 k
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。
2.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。

8 t# }/ x' U0 Y' K测距时序图如示：
; V% w( u  N7 m7 q; b


STM32实现驱动
利用STM32驱动HC-SR04需要做好几个关键点：
6 a$ \1 Z1 B1 m! d7 j2 G引脚的配置
1 D0 B; x9 J) z6 v  `时序的控制
: I, R) ~& e" j1 W* K时间差的测量
$ M0 c3 O1 T( ]% {
) j4 u" t, v8 a/ ~  |' T1 y下面来分开实现几个关键点
) N3 _" J7 w2 ^- ^& R
1.引脚的配置
7 J: x  g0 G5 h& F2 w" Z4 T2 Q! j, e$ qHC-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。
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
4 z7 p# H  Y, m3 t' b3 TEcho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
6 h9 b; f: Q3 e# ?; x" I/ K0 O相关的配置代码如下：

1. void SR04_GPIO_Init( void )
   3 u" L. m0 D! n0 a& z+ }% Z: z
2. {
   
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
   6 U7 ^3 e# t0 |2 P' {0 o9 x* n; j
4.         RCC_APB2PeriphClockCmd( Trig_Clock  |Echo_Clock , ENABLE );
   + y: N$ e/ w! T
5.        
   
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
   
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Trig_PIN;
   
8.         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   
9.         GPIO_Init(Trig_PORT, &GPIO_InitStruct);
   4 A  s6 ~  K  U; E' {5 y
10.        
    1 Z; E1 ]: C. ]3 A) Z$ |- J0 k
11.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    2 j! f% j$ [+ r4 O6 P% i
12.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Echo_PIN;
    6 R: s" d4 M/ r* k
13.         GPIO_Init(Echo_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
14. }
    

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2.时序控制
3 }) ]' U" |* C- q# aHC-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)
   . f' E1 ?( V- b) }8 f
2. #define Trig_L  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)
   
3. 
   4 i9 }9 U% `8 B/ h+ _
4. /* Trig给一个至少10us的高电平，超声波进行一次测距 */
   
5.         Trig_H;
   
6.         Delay_us( 10 );
   
7.         Trig_L;
   7 i  T5 P0 K! I- ?% V8 J% `7 [
8. /* 等待Echo高电平 */
   - C3 g" ~' A" F% A0 F  E+ L+ ?

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: S' y- y% ]: U( X. x3.时间差测量
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。
2 C3 S4 H% @6 N2 f: R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：

1. static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
   . O0 e# R$ p1 `$ i$ J6 C/ V
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.   
   " c+ n  x' ]7 {' E0 x
6.   /* 配置 装载寄存器 */       
   
7.   SysTick->LOAD  = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;     
   ' k) @% B4 K+ x: d$ n
8.         /* 配置 内核中断的优先级，也是在NVIC中 */
   + L3 H4 D7 e  x
9.   NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);
   ) k* r- P8 M9 H2 L( H* O
10.         /* 加载计数器的值 */
      s) y6 {/ i1 L$ Y; w: x$ n
11.         /* SysTick->VAL是当前数值寄存器的值 */
    - i! @2 k# B# }; M: G; r7 H
12.   SysTick->VAL   = 0;      
    4 _. z2 t0 T3 ^. d4 ~: v6 y
13. 
    
14.         /* CTRL是SysTick控制及状态寄存器：
    ) E9 [) B% e' Y( s1 d" x. K
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 |
    
19.                    SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
    0 P. B/ Z' s/ Z/ u
20.                    SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                  
    
21.   return (0);                                             
    ) V6 ~' X: H, C
22. }
    
23. 
    

复制代码

9 J  \- T% S" @SysTick的具体原理可以参考一下我之前的博客：SysTick原理
% {5 b' k, Q/ S' Z: {8 Q0 U
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。

$ `* L% S# O+ G' [) L8 h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;
   
3. 
   
4. void SysTick_Handler(void)
   6 D  x" U2 O+ I. _% ?2 x0 Z
5. {
   % U7 d( R5 R, Z8 A& m2 B
6.         n++;
   4 L* }+ a( ?% M2 G  S: }! N
7. }
   ) n' t) X  y$ |6 x" t0 \3 f; p/ R

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0 ]4 H( l7 c) |! ?关闭中断及清零n的代码如下：

1. /* 本来的使能位取反 */
   
2. SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
   ( a2 q) w% H" T; M  x

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7 `, g# `: U4 P; p  USysTick->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。

4.如何将距离测出来
8 x+ z9 K& W$ o& s" t& b0 l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)
   1 w1 ~; v" c! K1 g
2. {
   3 _) G! s  t- N. W# ]
3. 
   
4.         int i=1,q;
   ) J& G- b& G" L* I2 x# |
5.         float p;
   ) `1 `4 S; D  L2 |
6.         /* HC-SR04模块引脚初始化 */
   # R/ O. u+ c3 L/ Q8 m5 t" O
7.         SR04_GPIO_Init();
   
8.         /* 串口相关配置 */
   
9.         GQ_UART_Config();
   7 Y% \' c! z" S! V
10.         /* 打印调试信息 */
    6 i; A8 z) H( k8 W" @
11.         printf("慢漫的测距实验\n ");
    5 _0 c; i8 K0 T. }. `
12.        
    
13.        
    
14.         while( 1 )
    
15.         {
    
16.                 /* 每0.5s测一次距离 */
    
17.                 Delay_ms( 500 );
    8 T1 Z: G5 }  ^4 w
18.        
    ( F1 w) @' ], b/ s
19.                 /* Trig给一个至少10us的高电平，超声波进行一次测距 */
    
20.                 Trig_H;
    * v3 ^' H% e2 b' p# l& s$ k, ?
21.                 Delay_us( 10 );
    
22.                 Trig_L;
    2 g$ S$ @  e  f  F0 f, l+ ]6 s
23.                 /* 等待Echo高电平 */
    
24.                 while( Echo_Value != 1 );
    
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 */
    ) X; _' M4 P: e4 m7 \7 D. P8 C
27.                 /* SysTick_Config()中已经使能计数器了,所以无需再开启        */
    
28.                 SysTick_Config( 432 );
    & A: c$ B; x1 J3 s5 _
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 */
    1 w9 b: |/ ^+ N7 A
32.                 /* 本来的使能位取反 */
    
33.                 SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
    : x$ g) j7 _( T- j% h. s
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;
    / S; C2 T" U8 s7 y# L" f! |
37.                 /* 打印距离信息 */
    # V8 ?9 A: }% q1 ~' X! e  V
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 */
    
39.                 printf("第%d次测量为：%.0f.%dcm\n",i,p-50,q);
    
40.                 i++;
    ( @9 I- m- L& W" K+ B
41.                 /* 清零中断记录变量n */
    
42.                 n=0;
    
43.         }
    
44.        
    . D, `7 Q! _5 z/ a. o8 f
45. }
    $ F/ K! D) p# F% E. E% a; M! \

复制代码

" ~$ c. t$ i5 s3 B4 V————————————————
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