如何使用HCSR04和STM32F103ZET6制做超聲波測距儀

背景：最近整理東西，發現了一個藍色的小模塊，上面還有兩個像喇叭的小東西，關鍵上面還有絲印，用藍底白字寫著“HC-SR04”，于是勾起了我的好奇心，動動小手指，百度找到了這個小板子的信息，原來是一個超聲波測距模塊，還挺有意思的，而且只引出來了四個引腳，應用也比較簡單，下面簡單介紹下這個模塊以及簡單的超聲波測距方案。

1.HC-SR04模塊實物圖和工作原理

1.1實物如下圖，可以看到這個模塊是雙面貼片的，整體感覺大氣，印出來了四個引腳，分別是GND，Echo，Trig，VCC具體功能見下方

1.2首先這個模塊是要單獨供電的，需要給VCC接5V，GND就不多說了關鍵是Echo和Trig這兩個腳，可以看下方的時序圖。

a.需要給觸發信號即Trig一個大于10us的方波信號

b.模塊內部會產生一個8*40KHz的聲波，因為是內部產生的，所以引出的四個腳測不出來這個信號，或許可以從PCBA里面其它地方測出，我沒深入研究

c.輸出回響信號，即Echo會返回一個高電平信號，這個高電平的持續時間和測量距離有關。

計算測距方法：我可以用一個遮擋物擋在兩個突出物上方，通過初中的只是我們都知道距離=速度*時間/2，速度在空氣中的速度約等于340m/s，時間即Echo的高電平信號。所以我們可以很簡單的就測量出遮擋物到模塊的距離。

2.要掌握的知識點和設備

2.1硬件環境

我這邊用的是HC-SR04模塊+STM32F103ZET6開發板+示波器，示波器是幫助分析用，可以驗證設計和實際是否一致的工具，可以不要。開發板也只是起一個連接串口調試助手，產生PWM以及輸入捕獲的一個功能，并不一樣要和我一樣的開發板，理論上任何一個開發板都可以實現這個功能。

2.2軟件知識

要用上面這套工具實現超聲波測距的功能，需要的代碼知識點也說過了，這里再提一下。

a.PWM輸出一個脈沖大于10us的方波到Trig，可以用STM32的定時器輸出

b.輸入捕獲Echo接受到的高電平信號，通過測量接受到的高電平時間，即可通過距離=速度*時間/2計算出距離。

c.串口調試，我們要通過串口調試助手打印出測量的時間和距離，可以方便直觀的看到我們的結果。

理論上掌握上面三個技能就可以實現超聲波測距的這個簡單的項目，當然條條大路通羅馬，上面的方式也不是唯一的一種。譬如我可以用信號發生器產生方波，就可以不用定時器了。畢竟工具只是工具而已。

3.代碼編寫，代碼是參考的正點原子的PWM輸出和輸入捕獲，因為項目原理上面說過了，基本就是這兩個功能的疊加。我本來想用HAL庫來做，但是CUBEMX生成的代碼調試沒成功，所以最后還是用的原子的標準庫來做的。下面代碼截取的是main.c和time.c。也是這個項目里面最重要的兩個部分。

extern u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA; //輸入捕獲狀態 extern u16 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //輸入捕獲值 int main（void）{ u32 temp=0; double ss=0; delay_init（）; //延時函數初始化 NVIC_PriorityGroupConfig（NVIC_PriorityGroup_2）; //設置NVIC中斷分組2:2位搶占優先級，2位響應優先級 uart_init（115200）; //串口初始化為115200 TIM3_PWM_Init（71，199）; //不分頻。PWM頻率=72000/（899+1）=80Khz TIM5_Cap_Init（0XFFFF，72-1）; //以1Mhz的頻率計數 while（1） { delay_ms（10）;// TIM_SetCompare2（TIM3，TIM_GetCapture2（TIM3）+1）; TIM_SetCompare2（TIM3，63）; if（TIM_GetCapture2（TIM3）==300）TIM_SetCompare2（TIM3，0）; if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80）//成功捕獲到了一次上升沿 { temp=TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F; temp*=65536;//溢出時間總和 temp+=TIM5CH1_CAPTURE_VAL;//得到總的高電平時間 ss=temp*340/2/1000; printf（“高電平時間：%d us\r\n”，temp）;//打印總的高點平時間 printf（“測試距離為：%3.0f mm\r\n”，ss）; TIM5CH1_CAPTURE_STA=0;//開啟下一次捕獲 delay_ms（500）; } }}

void TIM3_Int_Init（u16 arr，u16 psc）{ TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM3， ENABLE）; //時鐘使能 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值 計數到5000為500ms TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設置用來作為TIMx時鐘頻率除數的預分頻值 10Khz的計數頻率 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設置時鐘分割：TDTS = Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計數模式 TIM_TimeBaseInit（TIM3， &TIM_TimeBaseStructure）; //根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數初始化TIMx的時間基數單位 TIM_ITConfig（ //使能或者失能指定的TIM中斷 TIM3， //TIM2 TIM_IT_Update | //TIM 中斷源 TIM_IT_Trigger， //TIM 觸發中斷源 ENABLE //使能 ）; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM3_IRQn; //TIM3中斷 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0; //先占優先級0級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 3; //從優先級3級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能 NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）; //根據NVIC_InitStruct中指定的參數初始化外設NVIC寄存器 TIM_Cmd（TIM3， ENABLE）; //使能TIMx外設 }void TIM3_IRQHandler（void） //TIM3中斷{ if （TIM_GetITStatus（TIM3， TIM_IT_Update） ！= RESET） //檢查指定的TIM中斷發生與否：TIM 中斷源 { TIM_ClearITPendingBit（TIM3， TIM_IT_Update ）; //清除TIMx的中斷待處理位：TIM 中斷源 LED1=！LED1; }}//PWM輸出初始化//arr：自動重裝值//psc：時鐘預分頻數void TIM3_PWM_Init（u16 arr，u16 psc）{ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM3， ENABLE）; RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO， ENABLE）; //使能GPIO外設和AFIO復用功能模塊時鐘使能 GPIO_PinRemapConfig（GPIO_PartialRemap_TIM3， ENABLE）; //Timer3部分重映射 TIM3_CH2-》PB5 //用于TIM3的CH2輸出的PWM通過該LED顯示 //設置該引腳為復用輸出功能，輸出TIM3 CH2的PWM脈沖波形 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_5; //TIM_CH2 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; //復用推挽輸出 GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init（GPIOB， &GPIO_InitStructure）; //GPIO_WriteBit（GPIOA， GPIO_Pin_7，Bit_SET）; // PA7上拉 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設置在下一個更新事件裝入活動的自動重裝載寄存器周期的值 80K TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //設置用來作為TIMx時鐘頻率除數的預分頻值 不分頻 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0; //設置時鐘分割：TDTS = Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計數模式 TIM_TimeBaseInit（TIM3， &TIM_TimeBaseStructure）; //根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數初始化TIMx的時間基數單位 TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM2; //選擇定時器模式：TIM脈沖寬度調制模式2 TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; //比較輸出使能 TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0; //設置待裝入捕獲比較寄存器的脈沖值 TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; //輸出極性：TIM輸出比較極性高 TIM_OC2Init（TIM3， &TIM_OCInitStructure）; //根據TIM_OCInitStruct中指定的參數初始化外設TIMx TIM_OC2PreloadConfig（TIM3， TIM_OCPreload_Enable）; //使能TIMx在CCR2上的預裝載寄存器 TIM_ARRPreloadConfig（TIM3， ENABLE）; //使能TIMx在ARR上的預裝載寄存器 TIM_Cmd（TIM3， ENABLE）; //使能TIMx外設}//定時器5通道1輸入捕獲配置TIM_ICInitTypeDef TIM5_ICInitStructure;void TIM5_Cap_Init（u16 arr，u16 psc）{ GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd（RCC_APB1Periph_TIM5， ENABLE）; //使能TIM5時鐘 RCC_APB2PeriphClockCmd（RCC_APB2Periph_GPIOA， ENABLE）; //使能GPIOA時鐘 GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; //PA0 清除之前設置 GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD; //PA0 輸入 GPIO_Init（GPIOA， &GPIO_InitStructure）; GPIO_ResetBits（GPIOA，GPIO_Pin_0）; //PA0 下拉 //初始化定時器5 TIM5 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //設定計數器自動重裝值 TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //預分頻器 TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //設置時鐘分割：TDTS = Tck_tim TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //TIM向上計數模式 TIM_TimeBaseInit（TIM5， &TIM_TimeBaseStructure）; //根據TIM_TimeBaseInitStruct中指定的參數初始化TIMx的時間基數單位 //初始化TIM5輸入捕獲參數 TIM5_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //CC1S=01 選擇輸入端 IC1映射到TI1上 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕獲 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到TI1上 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //配置輸入分頻，不分頻 TIM5_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;//IC1F=0000 配置輸入濾波器 不濾波 TIM_ICInit（TIM5， &TIM5_ICInitStructure）; //中斷分組初始化 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM5_IRQn; //TIM3中斷 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占優先級2級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //從優先級0級 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ通道被使能 NVIC_Init（&NVIC_InitStructure）; //根據NVIC_InitStruct中指定的參數初始化外設NVIC寄存器 TIM_ITConfig（TIM5，TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1，ENABLE）;//允許更新中斷 ，允許CC1IE捕獲中斷 TIM_Cmd（TIM5，ENABLE ）; //使能定時器5}u8 TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //輸入捕獲狀態 u16 TIM5CH1_CAPTURE_VAL; //輸入捕獲值//定時器5中斷服務程序 void TIM5_IRQHandler（void）{ if（（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X80）==0）//還未成功捕獲 { if （TIM_GetITStatus（TIM5， TIM_IT_Update） ！= RESET） { if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40）//已經捕獲到高電平了 { if（（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X3F）==0X3F）//高電平太長了 { TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//標記成功捕獲了一次 TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF; }else TIM5CH1_CAPTURE_STA++; } } if （TIM_GetITStatus（TIM5， TIM_IT_CC1） ！= RESET）//捕獲1發生捕獲事件 { if（TIM5CH1_CAPTURE_STA&0X40） //捕獲到一個下降沿 { TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //標記成功捕獲到一次高電平脈寬 TIM5CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1（TIM5）; TIM_OC1PolarityConfig（TIM5，TIM_ICPolarity_Rising）; //CC1P=0 設置為上升沿捕獲 }else //還未開始，第一次捕獲上升沿 { TIM5CH1_CAPTURE_STA=0; //清空 TIM5CH1_CAPTURE_VAL=0; TIM_SetCounter（TIM5，0）; TIM5CH1_CAPTURE_STA|=0X40; //標記捕獲到了上升沿 TIM_OC1PolarityConfig（TIM5，TIM_ICPolarity_Falling）; //CC1P=1 設置為下降沿捕獲 } } } TIM_ClearITPendingBit（TIM5， TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update）; //清除中斷標志位}

4.硬件連接以及實驗照片

4.1硬件連接

4.2串口顯示結果

4.3Echo和Trig信號

基本功能是實現了，以上就是對HC-SR04這個模塊的簡單介紹和使用分享。當然這個模塊也很常見，網上類似的分享也挺多的，但和我一樣的肯定沒有，起碼圖片都是我新鮮截取拍攝的，這次的測試也是我花了些心思做出來的，我的小目標就是攢齊3個原創文章，貼一個加V的認證，看了下原創活動是到今年年底，也算是今年的一個年度計劃吧，希望可以實現。