在学习STM32开发板的过程中,碰到一个常用的测距模块HC-SR04,本来想着很简单,结果使用时出现了种种问题,网上的代码乱七八糟基本上不好用,所以自己好好将这个东西梳理了一遍,现在将梳理结果和代买分享出来。
HC-SR04主要参数 :
5V的电压
小于2ms的工作电流
2-450cm的探测距离
有Vcc、 Trig(控制端)、 Echo(接收端)、 Gnd 四个接口,VCC和GND不用多说,一个接板子上5V的输出,一个接GND,Trig和Echo都接板子上的I/O口,这里我选择的是PA4与PA0.
基本工作原理:
1.给Trig一个至少10us的高电平信号
2.HC-SR04自动发送8个40khz的方波,自动检测是否有信号返回
3.信号返回则通过Echo输出一个高电平,高电平持续时间就是超声波从发送到返回被接收的时间
距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2
简单来说就是通过给Trig一个10us的高电平,之后在Echo等待高电平输出,进行一次输入捕获,捕获高电平的输出时间,此输出时间即为测距时间,通过计算时间计算出距离。不断地重复上述操作,完成测距。
//初始化PA0,PA4 (PA4作为输出口,PA0作为输入口)
//HC_SR04初始化
void HCSR04_Init(u16 arr,u16 psc)
{
RCC->APB1ENR|=1<<0; //TIM2时钟使能
RCC->APB2ENR|=1<<2; //使能PORTA时钟
GPIOA->CRL&=0XFFFFFFF0;//PA0 清除之前设置
GPIOA->CRL|=0X00000008;//PA0输入
GPIOA->ODR|=0<<0; //PA0下拉
GPIOA->CRL&=0XFFF0FFFF;//PA4清除之前设置
GPIOA->CRL|=0X00030000;//PA4推挽输出
GPIOA->ODR|=1<<5; //PA4 输出高
TIM2->ARR=arr; //设定计数器自动重装值
TIM2->PSC=psc; //预分频器
TIM2->CCMR1|=1<<0; //CC1S=01 选择输入端IC1映射到TI1
TIM2->CCMR1|=1<<4; //IC1F=0001 配置滤波器 以Fck_int采样,两个事件后有效
TIM2->CCMR1|=0<<2; //IC1PS=00 配置输入分频,不分频
TIM2->CCER|=0<<1; //CC1P=0 上升沿捕获
TIM2->CCER|=1<<0; //CC1E=1 允许捕获计数器的值到捕获寄存器中
TIM2->DIER|=1<<1; //允许捕获中断
TIM2->DIER|=1<<0; //允许更新中断
TIM2->CR1|=0X01; //使能定时器2
MY_NVIC_Init(2,0,TIM2_IRQn,2);//抢占2,子优先级0,组2
}
//捕获状态
//[7]:0,没有成功的捕获;1,成功捕获到一次.
//[6]:0,还没捕获到高电平;1,已经捕获到高电平了.
//[5:0]:捕获高电平后溢出的次数
u8 TIM2CH1_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态
u16 TIM2CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值
//定时器2中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void)
{
u16 tsr;
tsr=TIM2->SR;
if((TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获
{
if(tsr&0X01)//溢出
{
if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了
{
if((TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了
{
TIM2CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次
TIM2CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;
}else TIM2CH1_CAPTURE_STA++;
}
}
if(tsr&0x02)//捕获1发生捕获事件
{
if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X40) //捕获到一个下降沿
{
TIM2CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获到一次高电平脉宽
TIM2CH1_CAPTURE_VAL=TIM2->CCR1;//获取当前的捕获值
TIM2->CCER&=~(1<<1); //CC1P=0 设置为上升沿捕获
}else //还未开始,第一次捕获上升沿
{
TIM2CH1_CAPTURE_VAL=0;
TIM2CH1_CAPTURE_STA=0X40; //标记捕获到了上升沿
TIM2->CNT=0; //计数器清空
TIM2->CCER|=1<<1; //CC1P=1 设置为下降沿捕获
}
}
}
TIM2->SR=0;//清除中断标志位
}
#define Echo PAout(4) // PA4
int main(void)
{
u32 temp=0;
u32 length;
Stm32_Clock_Init(9); //系统时钟设置
delay_init(72); //延时初始化
uart_init(72,9600); //串口初始化
HCSR04_Init(0XFFFF,72-1);//以1Mhz的频率计数
while(1)
{
Echo=1;
delay_us(20); //输入一个10us的高电平
Echo=0;
if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X80)//成功捕获到了一次高电平
{
temp=TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X3F;
temp*=65536; //溢出时间总和
temp+=TIM2CH1_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间
length=temp*0.017; //计算长度
printf("HIGH:%d cm\r\n",length); //打印长度
TIM2CH1_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获
}
delay_ms(200);
}
}
库函数版本
#include "hcsr04.h"
//初始化PA0,PA4 (PA4作为输出口,PA0作为输入口)
//HC_SR04初始化
void HCSR04_Init(u16 arr,u16 psc)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_ICInitTypeDef TIM2_ICInitStructure;
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2,ENABLE);//使能TIM2时钟
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA,ENABLE);//使能GPIOA时钟
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_IPD;//下拉输入
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//PA0 下拉
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin=GPIO_Pin_4;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode=GPIO_Mode_Out_PP;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed=GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);//PA4 推挽输出
//初始化定时器 2 TIM2
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr; //设定计数器自动重装值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =psc; //预分频器
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //设置时钟分割
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //向上计数
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); //初始化 TIM2
//初始化 TIM2 输入捕获参数
TIM2_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; //使用CH1
TIM2_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; //上升沿捕获
TIM2_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; //映射到 TI1 上
TIM2_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; //配置输入分频,不分频
TIM2_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x01;//IC1F=0001 配置滤波器 以Fck_int采样,两个事件后有效
TIM_ICInit(TIM2, &TIM2_ICInitStructure);
//中断分组初始化
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; //TIM2 中断
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2; //先占优先级 2 级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; //从优先级 0 级
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; //IRQ 通道被使能
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); //初始化外设 NVIC 寄存器
TIM_ITConfig(TIM2,TIM_IT_Update|TIM_IT_CC1,ENABLE);
//允许更新中断 CC1IE 捕获中断
TIM_Cmd(TIM2,ENABLE ); //使能定时器 2
}
//捕获状态
//[7]:0,没有成功的捕获;1,成功捕获到一次.
//[6]:0,还没捕获到高电平;1,已经捕获到高电平了.
//[5:0]:捕获高电平后溢出的次数
u8 TIM2CH1_CAPTURE_STA=0; //输入捕获状态
u16 TIM2CH1_CAPTURE_VAL; //输入捕获值
//定时器2中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void)
{
if((TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X80)==0)//还未成功捕获
{
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET)
{
if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X40)//已经捕获到高电平了
{
if((TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X3F)==0X3F)//高电平太长了
{
TIM2CH1_CAPTURE_STA|=0X80;//标记成功捕获了一次
TIM2CH1_CAPTURE_VAL=0XFFFF;
}else TIM2CH1_CAPTURE_STA++;
}
}
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET)//捕获 1 发生捕获事件
{
if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X40) //捕获到一个下降沿
{
TIM2CH1_CAPTURE_STA|=0X80; //标记成功捕获到一次上升沿
TIM2CH1_CAPTURE_VAL=TIM_GetCapture1(TIM2);
TIM_OC1PolarityConfig(TIM2,TIM_ICPolarity_Rising);
//CC1P=0 设置为上升沿捕获
}else //还未开始,第一次捕获上升沿
{
TIM2CH1_CAPTURE_STA=0; //清空
TIM2CH1_CAPTURE_VAL=0;
TIM_SetCounter(TIM2,0);
TIM2CH1_CAPTURE_STA|=0X40; //标记捕获到了上升沿
TIM_OC1PolarityConfig(TIM2,TIM_ICPolarity_Falling);
//CC1P=1 设置为下降沿捕获
}
}
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1|TIM_IT_Update); //清除中断标志位
}
初始化函数 HCSR04_Init(u16 arr,u16 psc) 接收两个值,arr:计数器重装载值,psc:预分频值。配置PA4推挽输出,PA0下拉输入,配置定时器TIM2,用TIM2_CH1来捕获高电平脉宽(详细配置讲解可以参考《STM32不完全手册—寄存器版本_V3.0》的十四章输入捕获实验)。
主函数中对初始化模块函数这样定义HCSR04_Init(0xffff,72-1),psc=72-1即72分频,TIM2的时钟频率为72MHz,以72MHz/72=1MHz的频率计数,T=1/f=1/10^6=10^(-6)s=1us,所以每计数一次即为1us。
arr=0xffff=65535,如果高电平时间太长,大于65535us就会溢出,所以把标志变量的低6位作为溢出次数的计数器,把溢出次数*65535+寄存器当前值就能计算出高电平时间。
if(TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X80)//成功捕获到了一次高电平
{
temp=TIM2CH1_CAPTURE_STA&0X3F;
temp*=65536; //溢出时间总和
temp+=TIM2CH1_CAPTURE_VAL; //得到总的高电平时间
length=temp*0.017; //计算长度
printf(“HIGH:%d cm\r\n”,length); //打印长度
TIM2CH1_CAPTURE_STA=0; //开启下一次捕获
}
距离=(高电平时间*声速(340m/s))/2
距离(cm)=(高电平时间*声速(34000cm/10^6us)/2
= 高电平时间(us)*0.017
在实际应用中,会出现输出结果是0cm和3000cm左右的情况,都是非正常的测距情况,可以在程序中写条件语句忽略掉,也可能出现偶尔多溢出一次的情况,可以通过条件语句判断当持续出现几次某一距离范围时判定即为此距离可信,不必纠结细节。