STM32外设系列详解：HC-SR04超声波传感器

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一、超声波测距基本原理

超声波测距的原理非常简单，超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波信号遇到被测物体后会反射回来，被超声波接收器接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用的时间，就可以计算出超声波发生器与反射物体的距离。

距离的计算公：:d=s/2=(c*t)/2

其中 d 为被测物与测距器的距离，s 为声波的来回路程，c 为声波，t 为声波来回所用的时间。

由于超声波也是一种声波，其声速 c 与温度有关，在不同温度下的超声波声速不同。在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速校正后，只要测得超声波往返的时间,即可求得距离。不同外温度下的超声波声速表如下

补充说明

最近在问答区发现有小伙伴疑惑为什么在计算距离时是根据Echo输出的高电平持续时间来计算距离。这里简单解释一下，仅供参考

1. 实际超声波测距的原理就是上面介绍的，记录的时间是从超声波发出到回波被接收的时间，然后这个时间除以2，再乘超声波的传播速度得到距离。超声波测距模块实际也是这么做的。模块内部会记录超声波发出的时刻，在接收到回波后会立刻以高电平的形式从Echo引脚输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发出到被接收到的时间间隔。这么做是模块为了方便单片机处理，快速得到超声波从发出到被接收到的时间间隔。
2. 实际大家可以自己测试一下，初始化一个定时器，从给Trig引脚10us高电平结束时刻开启定时器，到Echo引脚接收到高电平的时刻停止计时，用这个时间来计算距离，实际和用高电平持续时间来计算距离得到的结果基本是相同的。
3. 给Trig引脚10us高电平并不是说只发送10us的超声波。10us的高电平是为了触发模块工作。10us高电平结束后，模块会发送一个8个40KHz的方波。

二、超声波传感器简介

总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等:机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等。他们所产生的超声波的频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超声波发生。

压电式超声波发生器实际上是利用压电晶体的谐振来工作的。它有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。这里介绍的是一个超声波测距模块——HC-SR04。

三、HC-SR04测距实现思路

这里就不再针对HC-SR04模块的原理和电路做详细介绍了，直接介绍利用该模块实现测距的思路。该模块有四个引脚。

Echo接收到的高电平持续时间即为超声波一个来回所用的时间，利用该时间除以2再乘上光速，即可得到测量距离。

四、超声波测距程序实现

4.1 HC-SR04初始化程序

HC-SR04初始化程序主要包括两部分，一部分是初始化HC-SR04的GPIO，Trig引脚设置为推挽式输出，Echo引脚设置为浮空输入。另一部分是初始化TIM2。初始化TIM2之后，没有立即使能，而是等到Echo接收到高电平的时刻，开启TIM2。

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Drv_Hcsr04_Init
 *函数功能：初始化HC-SR04
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：初始化HC-SR04引脚的同时，初始化了TIM2，用来记录高电平持续时间
          初始化完TIM2后，没有使能，当Echo收到高电平后使能
 *==============================================================================
 */
void Drv_Hcsr04_Init (void)   // Hc-sr04初始化
{    
	// 结构体定义
	TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;   // 生成用于定时器设置的结构体  
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;   // GPIO结构体
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;   // NVIC结构体
	RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);   // 使能GPIO时钟

	// GPIO初始化  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;   // 发送电平引脚  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;   // 推挽式输出  
	GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
	GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);  
		 
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;   // 返回电平引脚  
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;   // 浮空输入  
	GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);    
	GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);      
		 
	// 定时器初始化 使用基本定时器TIM2  
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);   // 使能对应RCC时钟  
	// 配置定时器基础结构体  
	TIM_DeInit(TIM2);  
	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 ) 
	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  
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;   // 不分频  
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;   // TIM向上计数模式  
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);   // 根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位         
				
	TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);   // 清除更新中断，免得一打开中断立即产生中断  
	TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update,ENABLE);   // 打开定时器更新中断  

	// NVIC配置	     
	NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);   // 设置中断优先级分组为组2：2位抢占优先级，2位响应优先级 
		
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel =TIM2_IRQn;   // 选择定时器2中断  
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;   // 抢占式中断优先级设置为0  
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;   // 响应式中断优先级设置为0  
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;   // 使能中断  
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
	
	TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);       
}

4.3 TIM开关程序

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc
 *函数功能：打开定时器
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void)   // 打开定时器  
{  
	TIM_SetCounter(TIM2,0);   // 清除计数  
	gMsHcCount = 0;  
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);   // 使能TIMx外设  
}
/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc
 *函数功能：关闭定时器
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void)   // 关闭定时器  
{  
	TIM_Cmd(TIM2, DISABLE);   // 使能TIMx外设  
}  

定时器中断服务函数如下

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：TIM2_IRQHandler
 *函数功能：定时器2中断服务程序 
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
void TIM2_IRQHandler (void)   // TIM2中断  
{  
	if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)   // 检查TIM2更新中断发生与否  
	{  
		TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);  // 清除TIMx更新中断标志   
		gMsHcCount++;  
	}  
}   

4.4 获取定时时间

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Drv_Hcsr04_GetEchoTimer
 *函数功能：获取定时器定时时间 
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：无
 *==============================================================================
 */
u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer (void)  
{  
	u32 t = 0;  
	t = gMsHcCount * 1000;   // 得到MS  
	t += TIM_GetCounter(TIM2);   // 得到US  
	TIM2 -> CNT = 0;   // 将TIM2计数寄存器的计数值清零  
	delay_ms(50);
	return t;  
}

4.5 计算测量距离

/*
 *==============================================================================
 *函数名称：Med_Hcsr04_GetLength
 *函数功能：获取测量距离
 *输入参数：无
 *返回值：无
 *备  注：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
					为了消除余震的影响，取五次数据的平均值进行加权滤波
 *==============================================================================
 */
float Med_Hcsr04_GetLength (void )  
{  
	u32 t = 0;  
	int i = 0;  
	float lengthTemp = 0;  
	float sum = 0;  
	while(i!=5)  
	{  
		TRIG_Send = 1;   // 发送口高电平输出  
		delay_us(20);
		TRIG_Send = 0;  
		while(ECHO_Reci == 0);   // 等待接收口高电平输出  
		Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc();   //打开定时器  
		i = i + 1;  
		while(ECHO_Reci == 1);  
		Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc();   // 关闭定时器  
		t = Drv_Hcsr04_GetEchoTimer();   // 获取时间,分辨率为1us
		lengthTemp = ((float)t/58.0);   // cm  
		sum = lengthTemp + sum ;        
		}  
	lengthTemp = sum/5.0;  
	return lengthTemp;  
}

4.6 宏定义

#define HCSR04_PORT   GPIOB   // 定义IO口
#define HCSR04_CLK    RCC_APB2Periph_GPIOB   // 开启GPIO时钟  
#define HCSR04_TRIG   GPIO_Pin_8   // 定义Trig对应引脚
#define HCSR04_ECHO   GPIO_Pin_9   // 定义Echo对应引脚
  
#define TRIG_Send  PBout(8)   // 将TRIG_Send映射到PB8
#define ECHO_Reci  PBin(9)   // 将ECHO_Reci映射到PB9

void Drv_Hcsr04_Init(void);   // Hc-sr04初始化
void Drv_Hcsr04_OpenTimerForHc (void);   //打开定时器
void Drv_Hcsr04_CloseTimerForHc (void);   //关闭定时器
u32 Drv_Hcsr04_GetEchoTimer(void);   // 获取定时器时间

五、应用实例

利用串口打印距离信息，main函数如下

float gDistance = 0;   //定义获取返回距离变量

int main(void)
{
	Med_Mcu_Iint();   // 系统初始化
	
	while(1)
  {
		gDistance = Med_Hcsr04_GetLength();   //获取返回距离
	 	printf ("距离为:%.3f cm\n",gDistance);   //串口打印返回距离
		
		delay_ms(500);   //延时500ms = 0.5s
	}
}

六、拓展应用

超声波测距比较常用的，比如利用超声波测距模块实现智能车的自动避障，这个在后续实战项目系列中会有，在此就不再详细介绍了。主要思路就是根据HC-SR04测得的与障碍物的距离，来决定是否要停止或转弯，以及往那边转弯。