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STM32-HAL库 HC-SR04超声波测距 — 2024.10.26

一、驱动简介

        此驱动基于STM32 HAL库开发，可移植到任何HAL工程里，适配任何型号的STM32单片机。本驱动不需要使用单片机的通用定时器，且测量精度很高(毫米级精度)，这样做的优点是不需要占用定时器资源，工程配置简单，且驱动的可移植性更高。

        本驱动在 2024.11.10 以前免费，有需求的朋友请帮忙点个关注、点个赞。若在移植的过程中遇到无法解决的困难，请在评论区留言。

        若还需要其他类型的传感器驱动，可在评论区留言，或者添加微姓：able078

二、HC-SR04简介

（一）概述

        HC-SR04 是一种流行的超声波距离传感器，广泛应用于各种电子项目，如机器人、测距设备等。它通过发射和接收超声波信号来测量与障碍物之间的距离。HC-SR04 具有成本低、易于使用和高精度等优点。

（二）引脚说明

HC-SR04 通常有 4 个引脚，功能如下：

  • VCC：供电引脚，通常接 5V 电源。
  • Trig（触发引脚）：输入引脚，发送高电平信号来触发传感器发射超声波。
  • Echo（回声引脚）：输出引脚，传递接收到的回波持续时间，以计算距离。
  • GND：接地引脚。

    • （三）工作原理

    1. 触发信号：通过将 Trig 引脚拉高至少 10 微秒，传感器开始发射超声波信号。
    2. 发射超声波：传感器内的发射器会发出 8 个 40 kHz 的超声波脉冲。
    3. 接收回波：超声波遇到障碍物反射回传感器，接收器感知到这个回波信号。
    4. 持续时间测量：Echo 引脚输出高电平，时间与超声波从传感器发出到返回所用时间成正比。时间越长，距离越远。
    5. 距离计算：利用公式计算距离：Distance = (Time*343) / 2 

    三、CubeMX生成基础工程

    1、芯片选型：这里选择STM32f103c8t6

    2、配置Debug：SW模式

    3、配置外部时钟

    4、配置TRIG引脚：引脚可根据实际情况任意选择，但必须重命名为：TRIG

    5、配置ECHO引脚：引脚可根据实际情况任意选择，但必须重命名为：ECHO 

    6、配置串口，输出数据

    7、输出基础工程文件 

      四、Keil5编写工程

    （一）hcsr04.c 

          新建 hcsr04.c 文件，将下面代码块中的代码全部复制到  hcsr04.c 文件中

    /* 这个代码块为 hcsr04.c 中的文件 */

#include "hcsr04.h"

/**************************************************
 * @brief  获取系统时钟（us级时钟）
 **************************************************
 */
uint64_t GetTime_us(void)
{
	uint32_t time_ms;
	uint32_t time_us;
	uint64_t time;
	time_ms=HAL_GetTick();
	time_us=( ( (SysTick->LOAD+1-SysTick->VAL) * 1.0) /(SysTick->LOAD+1) )* 1000;
	time=time_us+time_ms*1000;
	return time;
}	

/**
  * 微妙延时函数
  * 全系列通用，只需要将宏定义CPU_FREQUENCY_MHZ根据时钟主频修改即可。
  * 系统滴答定时器是HAL库初始化的，且必须有HAL库初始化。
  */
#define CPU_FREQUENCY_MHZ   (int)(HAL_RCC_GetHCLKFreq()/1000000)		// 自动获取STM32时钟主频
void delay_us(__IO uint32_t delay)  
{
   int last, curr, val;
   int temp;
 
   while (delay != 0)
   {
      temp = delay > 900 ? 900 : delay;
      last = SysTick->VAL;
      curr = last - CPU_FREQUENCY_MHZ * temp;
      if (curr >= 0)
      {
         do
         {
             val = SysTick->VAL;
         }
         while ((val < last) && (val >= curr));
      }
      else
      {
         curr += CPU_FREQUENCY_MHZ * 1000;
         do
         {
             val = SysTick->VAL;
         }
         while ((val <= last) || (val > curr));
      }
      delay -= temp;
    }
}

void SR04_GPIO_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
	__HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

   /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = TRIG_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(TRIG_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = ECHO_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
  HAL_GPIO_Init(ECHO_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

}

float SR04_Get_Distance(void) {
    SR04_GPIO_Init();
    float total_distance = 0; // 用于存储总距离
    const int measurements = 5; // 测量次数

    for (int i = 0; i < measurements; i++) {
        uint64_t startTime = 0;
        uint32_t travelTime = 0;

        // 发送 10 us 的高电平信号到 TRIG 引脚
        HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET);
        delay_us(20); // 确保 TRIG 信号维持至少 10 us
        HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);

        // 等待 ECHO 引脚变为高电平，开始计时
        while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_GPIO_Port, ECHO_Pin) == GPIO_PIN_RESET) {
            // 等待 Echo 引脚高电平开始
        }
        startTime = GetTime_us(); // 记录开始时间

        // 等待 ECHO 引脚变为低电平，计时结束
        while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_GPIO_Port, ECHO_Pin) == GPIO_PIN_SET) {
            // 等待 Echo 引脚低电平结束
        }
        travelTime = GetTime_us() - startTime; // 计算往返时间

        // 计算距离，Speed of Sound ~ 343 m/s => Distance (cm) = (Time (us) * 343) / 2
        float distance = ((travelTime * 343.0) / 2.0) / 10000; // 返回距离（厘米）
        total_distance += distance; // 累加当前测量的距离
				if(measurements > 1) HAL_Delay(10);
    }

    // 返回 5 次测量的平均值
    return total_distance / measurements;
}

          将该.c文件保存到：工程路径>Core>Src  

    （二）hcsr04.h 

          新建 hcsr04.h 文件，将下面代码块中的代码全部复制到  hcsr04.h 文件中

    /* 这里的代码复制到hcsr04.h中 */

#ifndef __SR04_H
#define __SR04_H

#include "main.h"

void  SR04_GPIO_Init(void);
float SR04_Get_Distance(void);

#endif

            并将该.h文件保存到：工程路径>Core>Inc  

    （三） 添加源文件

     （四）调用驱动

    注意：

    1. 在使用该驱动的地方，需要在合适的位置写：#include "hcsr04.h" 
    2. 该驱动不需要初始化，在需要测距的地方直接调用函数即可。
    3. 使用之前需要一个浮点型的变量来缓存距离数据。
    4. 该传感器的最快调用频率不可超过100Hz，也就是每次调用间隔至少10ms。

    下面是我在 main.c 中调用驱动函数的程序，读者可参考使用。

    /* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "hcsr04.h"
#include <string.h>
#include "stdio.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */
float SR04_Distance = 0.0;
char  Tx_Buff[20] ;
/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
		SR04_Distance = SR04_Get_Distance();
		sprintf(Tx_Buff,"距离:%0.1f\r\n",SR04_Distance);
		HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t*)Tx_Buff,strlen(Tx_Buff),100);
		HAL_Delay(500);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

    五、效果展示

            因为录屏原因，不好记录传感器的移动过程，所以只录了串口调试助手的数据。但可以保证测量精度非常高，放在一个地方不动传感器，数据几乎没有波动。

    作者：智控工作室

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