代码收藏家技术教程 16天前

STM32进阶教程：使用HC-SR04超声波模块进行精准测距

前言

本实验旨在学习和理解HC-SR04超声波测距模块的工作原理，并利用stm32F103单片机完成一个超声波测距方案。HC-SR04超声波测距模块是一种常用的距离测量传感器，通过发送超声波脉冲并接收其回波来测量物体与传感器之间的距离。

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：

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

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：

HC-SR04模块的实物图如示：

有四个引脚：

Vcc：+5V电源供电
Trig：输入触发信号（可以触发测距）
Echo：传出信号回响（可以传回时间差）
Gnd：接地
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。
测距时序图如示：

OLED屏幕
OLED（Organic Light Emitting Diode，有机发光二极管）是一种能够自发光的显示技术，广泛应用于单片机开发中的显示模块。它具有高对比度、快速响应、低功耗等优点，适用于小尺寸显示和低功耗应用。
同时，可以将程序中的某些重要参数直接输出到OLED屏幕当中，这样就无需使用串口助手，方便了程序的调试

工作原理

OLED显示屏由许多微小的有机发光二极管组成，每个像素点都可以自发光。当施加电压时，有机材料中的电子和空穴结合，产生光，从而形成图像。OLED不需要背光源，因此可以实现更薄、更轻、更柔性的显示器。

实验示例

使用标准库

HC-SR04模块代码

HC.c#include "HC.h"

#include "Delay.h"
#include "stm32f10x.h"
#include "sys.h"

#define HCSR04_PORT GPIOB
#define HCSR04_CLK RCC_APB2Periph_GPIOB
#define HCSR04_TRIG GPIO_Pin_11
#define HCSR04_ECHO GPIO_Pin_10

u16 msHcCount = 0;

void HC_Init(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);
GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);

RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4, ENABLE);

TIM_DeInit(TIM2);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (1000-1);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =(72-1);
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseStructure);

TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);
TIM_ITConfig(TIM4,TIM_IT_Update,ENABLE);

NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

TIM_Cmd(TIM4,DISABLE);
}

static void OpenTimerForHc()
{
TIM_SetCounter(TIM4,0);
msHcCount = 0;
TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);
}

static void CloseTimerForHc()
{
TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);
}

void TIM4_IRQHandler(void)
{
if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) != RESET)
{
TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update );
msHcCount++;
}
}

u32 GetEchoTimer(void)
{
u32 t = 0;
t = msHcCount*1000;
t += TIM_GetCounter(TIM4);
TIM4->CNT = 0;
Delay_ms(50);
return t;
}

float HC_Get(void )
{
int t = 0;
int i = 0;
float lengthTemp = 0;
float sum = 0;
while(i!=5)
{
TRIG_Send = 1;
Delay_us(20);
TRIG_Send = 0;
while(ECHO_Reci == 0);
OpenTimerForHc();
i = i + 1;
while(ECHO_Reci == 1);
CloseTimerForHc();
t = GetEchoTimer();
lengthTemp = ((float)t/58.0);//cm
sum = lengthTemp + sum ;

}
lengthTemp = sum/5.0;
return lengthTemp;
}

HC.h

#ifndef __HC_H
#define __HC_H
#include "sys.h"

void HC_Init(void);
static void OpenTimerForHc(void);
static void CloseTimerForHc(void);
void TIM4_IRQHandler(void);
u32 GetEchoTimer(void);
float HC_Get(void );

#define TRIG_Send PBout(11)
#define ECHO_Reci PBin(10)
#endif

OLED模块代码

OLED.c

#include "stm32f10x.h"
#include "OLED_Font.h"

/*引脚配置*/
#defin OLED_W_SCL(x) GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_8, (BitAction)(x))
#define OLED_W_SDA(x) GPIO_WriteBit(GPIOB, GPIO_Pin_9, (BitAction)(x))

/*引脚初始化*/
void OLED_I2C_Init(void)
{
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);

   GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_OD;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_8;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
   GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_9;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);

   OLED_W_SCL(1);
   OLED_W_SDA(1);
}

/**
* @brief I2C开始
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_Start(void)
{
   OLED_W_SDA(1);
   OLED_W_SCL(1);
   OLED_W_SDA(0);
   OLED_W_SCL(0);
}

/**
* @brief I2C停止
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_Stop(void)
{
   OLED_W_SDA(0);
   OLED_W_SCL(1);
   OLED_W_SDA(1);
}

/**
* @brief I2C发送一个字节
* @param Byte 要发送的一个字节
* @retval 无
*/
void OLED_I2C_SendByte(uint8_t Byte)
{
   uint8_t i;
   for (i = 0; i < 8; i++)
   {
       OLED_W_SDA(Byte & (0x80 >> i));
       OLED_W_SCL(1);
       OLED_W_SCL(0);
   }
   OLED_W_SCL(1);   //额外的一个时钟，不处理应答信号
   OLED_W_SCL(0);
}

/**
* @brief OLED写命令
* @param Command 要写入的命令
* @retval 无
*/
void OLED_WriteCommand(uint8_t Command)
{
   OLED_I2C_Start();
   OLED_I2C_SendByte(0x78);       //从机地址
   OLED_I2C_SendByte(0x00);       //写命令
   OLED_I2C_SendByte(Command);
   OLED_I2C_Stop();
}

/**
* @brief OLED写数据
* @param Data 要写入的数据
* @retval 无
*/
void OLED_WriteData(uint8_t Data)
{
   OLED_I2C_Start();
   OLED_I2C_SendByte(0x78);       //从机地址
   OLED_I2C_SendByte(0x40);       //写数据
   OLED_I2C_SendByte(Data);
   OLED_I2C_Stop();
}

/**
* @brief OLED设置光标位置
* @param Y 以左上角为原点，向下方向的坐标，范围：0~7
* @param X 以左上角为原点，向右方向的坐标，范围：0~127
* @retval 无
*/
void OLED_SetCursor(uint8_t Y, uint8_t X)
{
   OLED_WriteCommand(0xB0 | Y);                   //设置Y位置
   OLED_WriteCommand(0x10 | ((X & 0xF0) >> 4));   //设置X位置高4位
   OLED_WriteCommand(0x00 | (X & 0x0F));           //设置X位置低4位
}

/**
* @brief OLED清屏
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_Clear(void)
{
   uint8_t i, j;
   for (j = 0; j < 8; j++)
   {
       OLED_SetCursor(j, 0);
       for(i = 0; i < 128; i++)
       {
           OLED_WriteData(0x00);
       }
   }
}

/**
* @brief OLED显示一个字符
* @param Line 行位置，范围：1~4
* @param Column 列位置，范围：1~16
* @param Char 要显示的一个字符，范围：ASCII可见字符
* @retval 无
*/
void OLED_ShowChar(uint8_t Line, uint8_t Column, char Char)
{
   uint8_t i;
   OLED_SetCursor((Line – 1) * 2, (Column – 1) * 8);       //设置光标位置在上半部分
   for (i = 0; i < 8; i++)
   {
       OLED_WriteData(OLED_F8x16[Char – ' '][i]);           //显示上半部分内容
   }
   OLED_SetCursor((Line – 1) * 2 + 1, (Column – 1) * 8);   //设置光标位置在下半部分
   for (i = 0; i < 8; i++)
   {
       OLED_WriteData(OLED_F8x16[Char – ' '][i + 8]);       //显示下半部分内容
   }
}

/**
* @brief OLED显示字符串
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param String 要显示的字符串，范围：ASCII可见字符
* @retval 无
*/
void OLED_ShowString(uint8_t Line, uint8_t Column, char *String)
{
   uint8_t i;
   for (i = 0; String[i] != '\0'; i++)
   {
       OLED_ShowChar(Line, Column + i, String[i]);
   }
}

/**
* @brief OLED次方函数
* @retval 返回值等于X的Y次方
*/
uint32_t OLED_Pow(uint32_t X, uint32_t Y)
{
   uint32_t Result = 1;
   while (Y–)
   {
       Result *= X;
   }
   return Result;
}

/**
* @brief OLED显示数字（十进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~4294967295
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~10
* @retval 无
*/
void OLED_ShowNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
   uint8_t i;
   for (i = 0; i < Length; i++)
   {
       OLED_ShowChar(Line, Column + i, Number / OLED_Pow(10, Length – i – 1) % 10 + '0');
   }
}

/**
* @brief OLED显示数字（十进制，带符号数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：-2147483648~2147483647
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~10
* @retval 无
*/
void OLED_ShowSignedNum(uint8_t Line, uint8_t Column, int32_t Number, uint8_t Length)
{
   uint8_t i;
   uint32_t Number1;
   if (Number >= 0)
   {
       OLED_ShowChar(Line, Column, '+');
       Number1 = Number;
   }
   else
   {
       OLED_ShowChar(Line, Column, '-');
       Number1 = -Number;
   }
   for (i = 0; i < Length; i++)
   {
       OLED_ShowChar(Line, Column + i + 1, Number1 / OLED_Pow(10, Length – i – 1) % 10 + '0');
   }
}

/**
* @brief OLED显示数字（十六进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~0xFFFFFFFF
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~8
* @retval 无
*/
void OLED_ShowHexNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
   uint8_t i, SingleNumber;
   for (i = 0; i < Length; i++)
   {
       SingleNumber = Number / OLED_Pow(16, Length – i – 1) % 16;
       if (SingleNumber < 10)
       {
           OLED_ShowChar(Line, Column + i, SingleNumber + '0');
       }
       else
       {
           OLED_ShowChar(Line, Column + i, SingleNumber – 10 + 'A');
       }
   }
}

/**
* @brief OLED显示数字（二进制，正数）
* @param Line 起始行位置，范围：1~4
* @param Column 起始列位置，范围：1~16
* @param Number 要显示的数字，范围：0~1111 1111 1111 1111
* @param Length 要显示数字的长度，范围：1~16
* @retval 无
*/
void OLED_ShowBinNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length)
{
   uint8_t i;
   for (i = 0; i < Length; i++)
   {
       OLED_ShowChar(Line, Column + i, Number / OLED_Pow(2, Length – i – 1) % 2 + '0');
   }
}

/**
* @brief OLED初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void OLED_Init(void)
{
   uint32_t i, j;

   for (i = 0; i < 1000; i++)           //上电延时
   {
       for (j = 0; j < 1000; j++);
   }

   OLED_I2C_Init();           //端口初始化

   OLED_WriteCommand(0xAE);   //关闭显示

   OLED_WriteCommand(0xD5);   //设置显示时钟分频比/振荡器频率
   OLED_WriteCommand(0x80);

   OLED_WriteCommand(0xA8);   //设置多路复用率
   OLED_WriteCommand(0x3F);

   OLED_WriteCommand(0xD3);   //设置显示偏移
   OLED_WriteCommand(0x00);

   OLED_WriteCommand(0x40);   //设置显示开始行

   OLED_WriteCommand(0xA1);   //设置左右方向，0xA1正常 0xA0左右反置

   OLED_WriteCommand(0xC8);   //设置上下方向，0xC8正常 0xC0上下反置

   OLED_WriteCommand(0xDA);   //设置COM引脚硬件配置
   OLED_WriteCommand(0x12);

   OLED_WriteCommand(0x81);   //设置对比度控制
   OLED_WriteCommand(0xCF);

OLED_WriteCommand(0xD9); //设置预充电周期
OLED_WriteCommand(0xF1);

OLED_WriteCommand(0xDB); //设置VCOMH取消选择级别
OLED_WriteCommand(0x30);

OLED_WriteCommand(0xA4); //设置整个显示打开/关闭

OLED_WriteCommand(0xA6); //设置正常/倒转显示

OLED_WriteCommand(0x8D); //设置充电泵
OLED_WriteCommand(0x14);

   OLED_WriteCommand(0xAF);   //开启显示

   OLED_Clear();               //OLED清屏
}

OLED.h

#ifndef __OLED_H
#define __OLED_H

void OLED_Init(void);
void OLED_Clear(void);
void OLED_ShowChar(uint8_t Line, uint8_t Column, char Char);
void OLED_ShowString(uint8_t Line, uint8_t Column, char *String);
void OLED_ShowNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length);
void OLED_ShowSignedNum(uint8_t Line, uint8_t Column, int32_t Number, uint8_t Length);
void OLED_ShowHexNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length);
void OLED_ShowBinNum(uint8_t Line, uint8_t Column, uint32_t Number, uint8_t Length);

#endif

此外，还需要OLED_Fnot.h的文件，用于定义显示字符：

主函数

#include "stm32f10x.h" // Device header
#include "Delay.h"
#include "OLED.h"
#include "HC.h"

uint32_t Length;
float length;

int main(void)
{

OLED_Init();
OLED_ShowString(1,1,"Length:");
OLED_ShowString(2,10,"cm");
HC_Init();

while(1)
   {
       length =HC_Get();
       Length = length*100; //eg:54.25->5425
       OLED_ShowNum(2,4,Length/1000,1); // ?
       OLED_ShowNum(2,5,Length%1000/100,1); //?
       OLED_ShowString(2,6,".");
       OLED_ShowNum(2,7,Length%100/10,1); //?
       OLED_ShowNum(2,8,Length%10/1,1); //?

}
}
实验效果

总结

1. 使用STM32控制HC-SR04超声波传感器进行测距实验，可以有效测量目标物体与传感器之间的距离。
2. 在实验过程中，需要注意使用适当的引脚进行连接，确保传输信号的稳定性和准确性。
3. 在编写程序时，需要使用定时器来控制超声波模块的工作时间，以及捕获定时器的计数值以计算出距离。
4. 需要了解定时器的工作原理和使用方法，确保能够正确地设置定时器的时钟周期和计数模式。
5. 在数据处理过程中，需要使用速度和距离的关系公式来计算实际的距离值。
6. 还需要注意超声波传感器的特性和测距范围，避免超出传感器的测量能力。
7. 在实验过程中，可以通过多次测量取平均值的方式来提高测距的准确性。
8. 需要注意信号和噪声的干扰，可以使用滤波器来处理不符合要求的信号。
9. 需要注意超声波传感器的工作环境，避免受到其他物体的干扰，导致测量结果不准确。
10. 可以根据实际应用需求，对测距实验进行进一步的优化和改进，例如增加数据显示和记录功能，实现自动控制等。

作者：nrt123