US-100超声波测距模块 -- 原理与数据获取的编程实现（基于STM32和RT-Thread操作系统实现）

一、超声波测距的基本原理

超声波测距原理是在超声波发射装置发出超声波，接收器接收超声波，根据接收器接到超声波时的时间差以及超声波在介质中的传播速度，从而计算出物体距离模块的距离，与雷达测距原理相似。 超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射时刻的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波就立即停止计时。

超声波在空气中的传播速度为340m/s（当然温度不同，传播速度也不同，带温度校准的模块得到的数据会更准），根据计时器记录的时间t（秒），就可以计算出发射点距障碍物的距离(s)，即：s=340t/2。

原理如图所示：

上述摘抄于百度百科超声波测距原理，略有增改。

二、US-100超声波测距模块

该实物图的正反面如上图所示，US-100 超声波测距模块可实现 2cm~4.5m 的非接触测距功能，拥有 2.4~5.5V 的宽电压输入范围，静态功耗低于 2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有 GPIO，串口两种通信方式实现数据的读取，内带看门狗，工作稳定可靠。

下面是这种超声波测距模块的一些参数：

该模块提供两种触发模块测距的模式，由跳线帽来决定，当插上跳线帽时为 UART（串口）模式，拔掉时为电平
触发模式。如下图：

对于模块的五个引脚，标识在下图：

相关说明如下：

1 号 Pin：接 VCC 电源（供电范围 2.4V~5.5V）。   

2 号 Pin：当为 UART 模式时，接外部电路 UART 的 TX 端（注意）；当为电平触发模式时，接外部电路的 Trig 端。

3 号 Pin：当为 UART 模式时，接外部电路 UART 的 RX 端（注意）；当为电平触发模式时，接外部电路的 Echo 端。

 4 、5号 Pin：接外部电路的地。

三、串口触发测距

这里只介绍串口触发测距原理，电平触发与之原理类似，由于未使用，就不赘述。

在此模式下只需要在Trig/TX管脚输入0X55 （波特率9600），系统便可发出 8 个 40KHZ 的超声波脉冲，然后检测回波信号。检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过 Echo/RX
管脚输出。输出的距离值共两个字节，第一个字节是距离的高 8 位（HDate），第二个字节为距离的低 8 位（LData），单位为毫米。即距离值为 （HData*256 +LData）mm。

时序图如下：

也就是说我们给模块发送0X55，模块就会返回给我们距离相关的数据，我们换算一下就可以得到距离值，真的超级简单。

其也附带测温功能，只需要在Trig/TX管脚输入0X50 （波特率9600），系统便启动温度传感器对当前温度进行测量，然后将温度值通过 Echo/RX 管脚输出。测量完成温度后，本模块会返回一个字节的温度值（TData）， 实际的温度值为 TData-45。例如通过 TX 发送完0X50 后，在 RX 端收到 0X45，则此时的温度值为 [69（0X45 的10 进制值）-45] = 24 度。

时序图如下：

 

建议先用USB转TTL模块连接模块与电脑，使用串口调试助手测试一下模块是否工作正常。

四、基于STM32和RT-Thread操作系统的代码实现

4.1、概述

简述一下代码实现的过程，单片机通过UART1发送0x55给超声波模块，待超声波模块得到测量数据后，会通过UART1传回给单片机，单片机再将数据通过UART2传出来。

工程建立步骤如下：

1、根据使用外设的需求，使用STM32CubeMx配置出工程代码。（如何配置，网上很多，不赘述）

2、移植RT-Thread Nano版本，具体可参考原子和野火，说的很详细。

3、具体应用代码实现。

4.2、实现细节

采用线程和事件结合来获取数据和输出数据。

1、初始化线程和事件

void uartthread_init(void)
{
		
  HAL_UART_Receive_IT(&huart1,RxBuffer,2);
	/* 初始化事件对象 */
  rt_event_init(&event, "event", RT_IPC_FLAG_FIFO);
	
	/* 创建线程*/
  tid1 = rt_thread_create("ultrasonic_thread",	 //线程名字
                          tid_ultrasonic_entry,	 //线程入口函数  
                          RT_NULL,				 //线程入口参数
                          THREAD_STACK_SIZE,	 //堆栈大小,
                          THREAD_PRIORITY, 		 //线程优先级
						  THREAD_TIMESLICE);	 //时间片长度
    
   /* 如果获得线程控制块，启动这个线程 */
   if (tid1 != RT_NULL)
       rt_thread_startup(tid1);
}

2、在线程入口函数实现超声波测距模块的触发和数据接收（使用UART1）以及数据的转发（使用UART2）。

static void tid_ultrasonic_entry(void *parameter)
{
    while (1)
    {
		HAL_UART_Transmit(&huart1, &command_trigger, 1, 100); //发送触发指令
		rt_event_recv(&event, 
                      EVENT_FLAG1 ,
                      RT_EVENT_FLAG_AND | RT_EVENT_FLAG_CLEAR,  //前面的选项是必选的
                      RT_WAITING_FOREVER,
				      RT_NULL);
        
     
		HAL_UART_Transmit(&huart2, RxBuffer, 2, 100);
			
        rt_thread_mdelay(1000);
    }
}

其中

uint8_t command_trigger = 0x55;  
uint8_t RxBuffer[2]={0};

3、在UART1的中断回调函数设置事件的触发。

void HAL_UART_RxCpltCallback(UART_HandleTypeDef *huart)
{
    
    if(huart->Instance == USART1)
    {
        rt_event_send(&event, EVENT_FLAG1);
        HAL_UART_Receive_IT(&huart1,RxBuffer,2); //每次接收完后，必须使用这一句，且在别处容易卡死，
                                                 //否则下次无法接收中断（具体原因未知） 
    }
		
}

4、通过USB转TTL模块连接单片机和电脑，读到数据如下，可知读取成功。

 

工程下载链接：https://www.rt-thread.org/qa/forum.php?mod=viewthread&tid=10420&page=1#pid44021。