单片机实战：HC-SR04超声波测距模块带温度补偿功能的实现（附源码详解）

单片机：实现HC-SR04超声波测距带温度补偿

1. 项目背景与目标

HC-SR04是一款常用的超声波传感器，用于测量距离。它通过发射超声波脉冲并接收回波来计算物体的距离。在理想情况下，超声波的传播速度是恒定的，但实际上超声波的传播速度会受到环境温度的影响，导致测量误差。因此，带温度补偿的测距方案能够提高测量精度，尤其是在温度变化较大的环境中。

本项目的目标是利用STM32单片机实现HC-SR04超声波模块的测距，并结合温度补偿，调整超声波传播速度，从而提高测量准确性。

2. 硬件设计

2.1 硬件组件

HC-SR04超声波模块：包括发射端和接收端，能够发射超声波信号并接收反射信号。它通过触发引脚（Trig）发送信号，Echo引脚接收回波信号。

温度传感器：通常使用DHT11、DHT22或DS18B20等温度传感器来获取环境温度，进而计算温度对超声波传播速度的影响。

STM32单片机：控制HC-SR04模块的工作、读取温度传感器的数据，并进行计算。

电源：为单片机和模块提供电源。

2.2 硬件连接

HC-SR04：

Trig引脚连接到单片机的GPIO输出引脚。

Echo引脚连接到单片机的GPIO输入引脚，检测回波信号。

温度传感器（如DHT11）：

数据引脚连接到单片机的GPIO输入引脚。

3. 软件设计

3.1 原理

超声波在空气中的传播速度受温度影响，可以通过公式计算：

其中，v为声速（单位：m/s），T为环境温度（单位：°C）。

通过获取当前温度，我们可以计算出实际的声速，并将其用于计算超声波的传播时间，从而得到更精确的测距结果。

3.2 测距原理

Trig引脚：发送一个高电平脉冲（持续约10微秒）以触发HC-SR04发射超声波信号。
Echo引脚：等待接收到超声波回波。回波持续时间（高电平时间）与超声波传播的时间成正比，回波时间ttt可通过定时器计算。
距离计算：
其中，v为声速，t为回波的时间，距离单位为米。除以2是因为回波是从目标物体反射回来的，因此测量的是往返距离。

3.3 代码实现

以下是基于STM32的示例代码，用于实现HC-SR04超声波测距并带有温度补偿：

#include "stm32f4xx_hal.h"
#include "stdio.h"
#include "dht11.h"  // 假设使用DHT11温度传感器库

#define TRIG_PIN GPIO_PIN_0
#define ECHO_PIN GPIO_PIN_1
#define GPIO_PORT GPIOA

#define SOUND_SPEED_20C 343.2  // 在20°C下声速（m/s）

// 定义变量
uint32_t pulse_duration = 0;
float distance = 0.0;
float temperature = 0.0;
float sound_speed = SOUND_SPEED_20C;

// 定时器初始化
void Timer_Init(void) {
    __HAL_RCC_TIM2_CLK_ENABLE();

    TIM_HandleTypeDef htim2;
    htim2.Instance = TIM2;
    htim2.Init.Prescaler = 8399;   // 1kHz时钟（1ms中断）
    htim2.Init.Period = 10000;     // 自动重装载周期
    htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
    htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
    HAL_TIM_Base_Init(&htim2);
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim2); // 启动定时器中断
}

// 超声波发射和接收函数
void HC_SR04_Init(void) {
    // 配置Trig为输出模式，Echo为输入模式
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

    // Trig引脚初始化
    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(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);

    // Echo引脚初始化
    GPIO_InitStruct.Pin = ECHO_PIN;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
    HAL_GPIO_Init(GPIO_PORT, &GPIO_InitStruct);
}

// 触发超声波信号
void Trigger_HC_SR04(void) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10);  // 保持10微秒
    HAL_GPIO_WritePin(GPIO_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
}

// 计算超声波回波持续时间
void Measure_Echo(void) {
    pulse_duration = 0;
    while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET) {
        pulse_duration++;
        HAL_Delay(1);  // 每1ms计数
    }
}

// 温度获取函数（假设使用DHT11传感器）
void Get_Temperature(void) {
    temperature = DHT11_ReadTemperature();  // 从DHT11读取温度
    sound_speed = 331.3 + 0.606 * temperature;  // 根据温度计算声速
}

// 距离计算
void Calculate_Distance(void) {
    distance = (sound_speed * pulse_duration) / 2000.0;  // 距离 = 声速 × 时间 / 2
}

// 主函数
int main(void) {
    HAL_Init();
    
    // 初始化GPIO和定时器
    HC_SR04_Init();
    Timer_Init();

    // 主循环
    while (1) {
        // 获取温度，计算声速
        Get_Temperature();
        
        // 触发HC-SR04发射超声波信号
        Trigger_HC_SR04();
        
        // 测量Echo引脚的回波持续时间
        Measure_Echo();
        
        // 计算距离
        Calculate_Distance();
        
        // 处理测量结果（例如输出到串口显示）
        printf("Temperature: %.2f°C, Distance: %.2f meters\n", temperature, distance);
        
        HAL_Delay(500);  // 每隔500ms测量一次
    }
}