代码收藏家技术教程 2023-12-31

最详细的STM32和CubeMX教程：超声波测距原理和实现方法

这篇文章将详细介绍 STM32使用 cubeMX驱动超声波测距。

文章目录

前言

一、超声波模块

`测距原理` ：

二、cubeMX 配置

三、实验程序

总结

前言

实验材料：STM32F103C8T6开发板， HC-SR04 超声波模块。

所需软件：keil5 ， cubeMX ，AiThinker Serial Tool 串口助手。

实验目的：了解 STM32使用 cubeMX驱动超声波。

实验：超声波测距。

一、超声波模块

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。有4 个引脚：VCC, GND, Trig（信号触发引脚），Echo(接收返回信号)。

当超声波发出一个信号时，信号碰到物体或阻碍后会立即返回。只要得到信号往返传输的时间就可以测出距离。

参数列表：
工作电压 VCC ： 5 V
最远射程： 4m
最近射程：2cm
信号传输速度：340m/s

`测距原理` ：

下图是超声波时序图。

首先让超声波的 trig 引脚发送触发信号：一个 10 us 的 TTL 高电平。
然后模块内部会自动循环发出 8 个 40 KHZ 的脉冲。
接着超声波的 echo 引脚会接收到回返信号。
最后只需要计算出这段回返信号的高电平时间再带入公式 S = 340(m/s) * T(s) / 2 即可算出距离.这里是往返时间，要除 2。（因为高电平的时间就是信号往返传输的时间）

二、cubeMX 配置

对于基础的配置可以看我之前的文章。

由于要发送一个 10us 的高电平，这个时间用定时器进行配置，所以这里我使用定时器 2 进行延时。（尽量不要使用 HAL_Delay 函数，多次使用会导致程序卡顿）

这里选择内部时钟源，并配置相关参数。这里配置的参数是 1us 延时。

我们还需要一个定时器去计算回返信号的高电平时间。使用定时器3。配置的定时时间依然是 1us。

如果对定时器的定时时长有不了解的可以参考我之前的文章：最详细STM32,cubeMX 定时器

需要将测出的距离使用串口助手打印出来，所以这里需要使用一个串口 USART2.(使用异步传输)

如果对串口的配置有不了解的可以参考我之前的文章：最详细STM32,cubeMX串口发送，接收数据

对于检测是否接收到回返信号，可以使用外部中断。

超声波需要两个引脚分别用来发送触发信号，接收回返信号。所以，这里我使用 PB3 用来发送触发信号，设置为输出引脚。使用 PB6 接收信号，并将其设置为外部中断模式。

如果对外部中断的配置有不了解的可以参考我之前的文章：STM32不使用 cubeMX实现外部中断

并将 PB6 设置为双边沿触发中断。

并将外部中断使能。

三、实验程序

sr04.h:

#ifndef _SR04_H_
#define _SR04_H_

#include <stdio.h>
#include "main.h"

#define		Trigger_ON 		HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_SET)
#define		Trigger_OFF 	HAL_GPIO_WritePin(GPIOB,GPIO_PIN_3,GPIO_PIN_RESET)


void Delay_us(uint16_t us);						// 使用定时器2编写的延时函数
void Trigger_signal(void);						// 发送 10us 的触发信号


#endif

sr04.c:

#include "sr04.h"

int distance_cm = 0;


extern TIM_HandleTypeDef htim2;
extern TIM_HandleTypeDef htim3;


/* 延时函数（单位 us） */
void Delay_us(uint16_t us)
{
	uint16_t time = 0xffff - us - 5;
	__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2,time);								// 设置 定时器2 的值
	HAL_TIM_Base_Start(&htim2);										// 开启定时器2

	while(time < 0xffff-5)
	{
		time = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);						// 获取定时器2 值
	}

	HAL_TIM_Base_Stop(&htim2);										// 停止 定时器2
}


/* 发送 10us 的触发信号 */
void Trigger_signal(void)
{
	Trigger_ON;							// 发送高电平
	Delay_us(10);						// 延时 10 us
	Trigger_OFF;						// 发送低电平
}


/* 外部中断回调函数 */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{	
	 static uint32_t time_us = 0;
	
	if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_6)
	{
		if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_6))
		{
			HAL_TIM_Base_Start(&htim3);									// 开启定时器3（开始计时）
			__HAL_TIM_SetCounter(&htim3,0);								// 清空定时器3
		}
		else if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOB,GPIO_PIN_6) == 0)
		{
			HAL_TIM_Base_Stop(&htim3);									//关闭定时器3（停止计时）
			time_us = __HAL_TIM_GetCounter(&htim3);							// 获取高电平时间
			printf("time_us : %d\r\n", time_us);
			distance_cm = time_us * 340/2*0.000001*100;
			printf("distance_cm is %d cm\r\n", distance_cm);
			
			time_us = 0;
		}
	}
}

对于串口发送数据，可以使用重定义函数，简化代码：

int fputc(int ch,FILE* f)
{
	while(HAL_UART_Transmit(&huart2,(uint8_t*)&ch,sizeof(ch),1000) != HAL_OK);
	return 0;
}

测试程序：
在 while 循环中持续发送触发信号。

  int count = 0;

  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
		
		/* 每 50 ms 发送一次触发信号 */
		if(HAL_GetTick() - count > 50)
		{
			count = HAL_GetTick();
			Trigger_signal();
		}		
		
  }

HAL_GetTick（）函数用来获取当前的时间。可以看到这个函数返回 uwTick 变量，在 HAL_IncTick（）中一直增加。uwTick 变量是从STM32 开机就开始计时。 1 uwTick 就是 1ms.