HC-SR04超声波测距模块的原理介绍与代码实现

文章目录

    • 1、超声波模块介绍
          • 1)产品特点
          • 2)基本工作原理
          • 3)实物图
          • 4)电气参数
    • 2、超声波模块原理
          • 1)超声波时序图
          • 2)实现思路
    • 3、参考代码
          • 1)stm8基于TIM1的ch1输入捕获实现
          • 2)51实现测距并使用数码管显示(淘宝提供)

1、超声波模块介绍

超声波模块一般使用的都是HC-SR04来进行测距
HC-SR04超声波测距模块的原理介绍与代码实现_第1张图片

1)产品特点

HC-SR04 超声波测距模块可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能,测
距精度可达高到的非接触式距离感测功能,测距精度可达高到 3mm ;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

2)基本工作原理

(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距,给最少 10us 的高电平信呈。
(2)模块自动发送 8 个 40khz 的方波,自动检测是否有信号返回;
(3)有信号返回,通过 IO 口 ECHO 输出一个高电平,高电平持续的时间就是超声
波从发射到返回的时间。测试距离=(高电平时间*声速(340M/S))/2;

3)实物图

HC-SR04超声波测距模块的原理介绍与代码实现_第2张图片
如右图接线,

  • Vcc:+5V电源供电
  • Trig:输入触发信号(可以触发测距)
  • Echo:传出信号回响(可以传回时间差)
  • Gnd:接地
4)电气参数

HC-SR04超声波测距模块的原理介绍与代码实现_第3张图片

2、超声波模块原理

1)超声波时序图

HC-SR04超声波测距模块的原理介绍与代码实现_第4张图片
以上时序图表明你只需要提供一个 10uS 以上脉冲触发信号,该模块内部将发出 8 个 40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号 。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。公式:uS/58=厘米或者 uS/148=英寸;或是:距离=高电平时间*声速(340M/S)/2;建议测量周期为 60ms 以上,以防止发射信号对回响信号的影响。
注:
1 、此模块不宜带电连接,若要带电连接,则先让模块的 GND 端先连接,否则会影响模块的正常工作。
2 、测距时,被测物体的面积不少于 0.5 平方米且平面尽量要求平整,否则影响测量的结果

2)实现思路
  • 1.直接给trig高电平,然后读取ECHO引脚是否为高电平,若为高电平,则开启定时器,然后继续检测等待其为低电平的时候,获取计数器值,然后进行计算

  • 2.开启外部中断,先将ECHO配置上升沿中断,当中断来临的时候,在中断函数里面开启定时器,再将其配置为下降沿中断,等待下降沿中断来临的时候,获取计数器值。

其实上面的两种方法,其思路都是通过计算定时器的counter值,来计算距离

  • 3.定时器一路PWM控制触发以及触发周期,超声波返回信号高电平时间用定时器通道捕捉功能获取

定时器输入捕获的使用方法可以参考一下我其他的文章:TIM定时器使用介绍

3、参考代码

1)stm8基于TIM1的ch1输入捕获实现
// 关于超声波测距的宏定义
#define HCSR04_TRIG PC_ODR_ODR0  //PC0为TRIG,输出10us的高电平
#define HCSR04_ECHO PC_IDR_IDR1  //PC1为ECHO,输入一个脉冲信号
#define SYS_CLOCK   16000000     //定义系统当前fmaster频率值15797600UL。

//获取距离的函数
float Hcsr04_getdistance(void)
{
    u16 B_num = 0;  
    u32 Time = 0;
    float Distance = 0;
  
      HCSR04_TRIG = 0; 
//   printf("准备开始测试...\n");
 
    //   TIM1_CCR1H=0x00;//清除捕获/比较寄存器1高8位
 //   TIM1_CCR1L=0x00;//清除捕获/比较寄存器1低8位
    TIM1_SR1&=0xF9;//清除CC1IF标志位与CC2IF标志位
    TIM1_SR2&=0xF9;//清除CC1OF标志位与CC2OF标志位
    TIM1_CCER1|=0x11;//捕获功能使能
 //   printf("捕获功能开启,等待ECHO信号...\n");
   
     //TRIG给最少 10us 的高电平信呈    
      HCSR04_TRIG = 1;
      delay_10us(5);
      HCSR04_TRIG = 0;
   //   overflow_count = 0;
  //    printf("TRIG已发送 10uS 以上脉冲触发信号...\n");
      
     while((TIM1_SR1&0x02)==0);//等待捕获比较1标志位CC1IF变为“1”
  //   TIM1_CR1|=0x01;        //使能TIM1计数器功能“CEN=1”
  //   printf("上升沿信号捕获...\n");
     
    while((TIM1_SR1&0x04)==0);//等待捕获比较2标志位CC2IF变为“1”
 //   printf("下降沿信号捕获...\n");
     
    //取出数据CC2IF位就自动清0
    B_num=(u16)TIM1_CCR2H<<8;//取回捕获/比较寄存器2高8位
    B_num|=TIM1_CCR2L;//取回捕获/比较寄存器2低8位并与高8位拼合
 //   printf("B_num:%d\n",B_num);
   
   // TIM1_SR1&=0xFB;//清除CC2IF标志位
    
     Time = B_num*1000000/SYS_CLOCK; //脉冲长度单位为us
  //   printf("Time:%d\n",Time);
     
     Distance = B_num/16.05*0.017;
 //    printf("Distance:%f cm\n",Distance);
     


     TIM1_CCER1&=0xEE;//捕获功能禁止
    
     return Distance;
}


/****************************************************************/
//TIM1功能初始化函数TIM1_init(),无形参,无返回值
/****************************************************************/
void TIM1_init(void)
{
  //1.CC1通道被配置为输入,IC1映射在TI1FP1上“CC1S[1:0]=01”
  // 0x000000001 : CC1通道被配置为输入,IC1映射在TI1FP1上;
  TIM1_CCMR1|=0x01;
  
  //2.配置TI1FP1信号边沿极性为上升沿“CC1P=0”
  // 0x11111101 : 捕获发生在TI1F或TI2F的上升沿;
  TIM1_CCER1&=0xFD;
  
  //3.CC2通道被配置为输入,IC2映射在TI1FP2上“CC2S[1:0]=10”
  // 0x00000010 : CC2通道被配置为输入,IC1映射在TI2FP2上;
  TIM1_CCMR2|=0x02;
  
  //4.配置TI1FP2信号边沿极性为下降沿“CC2P=1”
  // 0x00100000 : 1:捕获发生在TI1F或TI2F的下降沿
  TIM1_CCER1|=0x20; 
  
  //5.配置触发输入信号为TI1FP1,“TS[2:0]=101”
  // 0x01010000 : 选择用于选择同步计数器的触发输入,滤波后的定时器输入1(TI1FP1)
  TIM1_SMCR|=0x50;
  
  //6.配置触发模式为复位触发,“SMS[2:0]=100”
  // 0x00000100 : 复位模式 – 在选中的触发输入(TRGI)的上升沿时重新初始化计数器,并且产生一个更新寄存器的信号
  TIM1_SMCR|=0x04;
  
  //7.使能TIM1计数器功能“CEN=1”
  TIM1_CR1|=0x01;
  
  //没有设置在外部触发寄存器(TIM1_ETR)中的采样频率
}

//初始化
void HCSR04_Init(void)
{
  //PC1为ECHO,PC0为TRIG
    //设置TRIG引脚为PC0,TRIG输出一个10us的高电平触发
    PC_DDR_DDR0 = 1;  
    PC_CR1_C10 = 1;   
    PC_CR2_C20 = 0;   
    
    //设置ECHO引脚为PC1,ECHO输入一个脉冲信号,需要用定时器测出持续时间
  
    PC_DDR_DDR1 = 0;  //设置为PC1为输入
    PC_CR1_C11 = 1;   //设置诶上拉输入
    PC_CR2_C21 = 0;   //带中断
   
   
 /*   
    PC_DDR_DDR1 = 0;  //设置为PD2为输入
    PC_CR1_C11 = 1;   //设置诶上拉输入
    PC_CR2_C21 = 1;   //带中断
  */
}
2)51实现测距并使用数码管显示(淘宝提供)
//超声波测距
//晶振=8M
//MCU=STC10F04XE
//P0.0-P0.6共阳数码管引脚
//Trig  = P1^0
//Echo  = P3^2
#include      //包括一个52标准内核的头文件
#define uchar unsigned char //定义一下方便使用
#define uint  unsigned int
#define ulong unsigned long
//***********************************************
sfr  CLK_DIV = 0x97; //为STC单片机定义,系统时钟分频
                     //为STC单片机的IO口设置地址定义
sfr   P0M1   = 0X93;
sfr   P0M0   = 0X94;
sfr   P1M1   = 0X91;
sfr   P1M0   = 0X92;
sfr	P2M1   = 0X95;
sfr	P2M0   = 0X96;
//***********************************************
sbit Trig  = P1^0; //产生脉冲引脚
sbit Echo  = P3^2; //回波引脚
sbit test  = P1^1; //测试用引脚

uchar code SEG7[10]={0xC0,0xF9,0xA4,0xB0,0x99,0x92,0x82,0xF8,0x80,0x90};//数码管0-9
uint distance[4];  //测距接收缓冲区
uchar ge,shi,bai,temp,flag,outcomeH,outcomeL,i;  //自定义寄存器
bit succeed_flag;  //测量成功标志
//********函数声明
void conversion(uint temp_data);
void delay_20us();
//void pai_xu();

void main(void)   // 主程序
{  uint distance_data,a,b;
   uchar CONT_1;   
   CLK_DIV=0X03; //系统时钟为1/8晶振(pdf-45页) 
     P0M1 = 0;   //将io口设置为推挽输出
     P1M1 = 0;
     P2M1 = 0;
     P0M0 = 0XFF;
     P1M0 = 0XFF;
     P2M0 = 0XFF;
   i=0;
   flag=0;
	test =0;
	Trig=0;       //首先拉低脉冲输入引脚
	TMOD=0x11;    //定时器0,定时器1,16位工作方式
	TR0=1;	     //启动定时器0
   IT0=0;        //由高电平变低电平,触发外部中断
	ET0=1;        //打开定时器0中断
 //ET1=1;        //打开定时器1中断
	EX0=0;        //关闭外部中断
	EA=1;         //打开总中断0	
  
	
while(1)         //程序循环
	{
  EA=0;
	     Trig=1;
        delay_20us();
        Trig=0;         //产生一个20us的脉冲,在Trig引脚  
        while(Echo==0); //等待Echo回波引脚变高电平
	     succeed_flag=0; //清测量成功标志
	     EX0=1;          //打开外部中断
	 	  TH1=0;          //定时器1清零
        TL1=0;          //定时器1清零
	     TF1=0;          //
        TR1=1;          //启动定时器1
   EA=1;

      while(TH1 < 30);//等待测量的结果,周期65.535毫秒(可用中断实现)  
		  TR1=0;          //关闭定时器1
        EX0=0;          //关闭外部中断

    if(succeed_flag==1)
	     { 	
		   distance_data=outcomeH;                //测量结果的高8位
           distance_data<<=8;                   //放入16位的高8位
		     distance_data=distance_data|outcomeL;//与低8位合并成为16位结果数据
            distance_data*=12;                  //因为定时器默认为12分频
           distance_data/=58;                   //微秒的单位除以58等于厘米
         }                                      //为什么除以58等于厘米,  Y米=(X秒*344)/2
			                                       // X秒=( 2*Y米)/344 ==》X秒=0.0058*Y米 ==》厘米=微秒/58 
    if(succeed_flag==0)
		   {
            distance_data=0;                    //没有回波则清零
		   	test = !test;                       //测试灯变化
           }

     ///       distance[i]=distance_data; //将测量结果的数据放入缓冲区
     ///        i++;
  	  ///	 if(i==3)
	  ///	     {
	  ///	       distance_data=(distance[0]+distance[1]+distance[2]+distance[3])/4;
     ///        pai_xu();
     ///        distance_data=distance[1];

      
	   a=distance_data;
       if(b==a) CONT_1=0;
       if(b!=a) CONT_1++;
       if(CONT_1>=3)
		   { CONT_1=0;
			  b=a;
			  conversion(b);
			}       
	  ///		 i=0;
 	  ///		}	     
	 }
}
//***************************************************************
//外部中断0,用做判断回波电平
INTO_()  interrupt 0   // 外部中断是0号
 {    
     outcomeH =TH1;    //取出定时器的值
     outcomeL =TL1;    //取出定时器的值
     succeed_flag=1;   //至成功测量的标志
     EX0=0;            //关闭外部中断
  }
//****************************************************************
//定时器0中断,用做显示
timer0() interrupt 1  // 定时器0中断是1号
   {
 	 TH0=0xfd; //写入定时器0初始值
	 TL0=0x77;	 	
	 switch(flag)   
      {case 0x00:P0=ge; P2=0xfd;flag++;break;
	    case 0x01:P0=shi;P2=0xfe;flag++;break;
	    case 0x02:P0=bai;P2=0xfb;flag=0;break;
      }
   }
//*****************************************************************
/*
//定时器1中断,用做超声波测距计时
timer1() interrupt 3  // 定时器0中断是1号
    {
TH1=0;
TL1=0;
     }
*/
//******************************************************************
//显示数据转换程序
void conversion(uint temp_data)  
 {  
    uchar ge_data,shi_data,bai_data ;
    bai_data=temp_data/100 ;
    temp_data=temp_data%100;   //取余运算
    shi_data=temp_data/10 ;
    temp_data=temp_data%10;   //取余运算
    ge_data=temp_data;

    bai_data=SEG7[bai_data];
    shi_data=SEG7[shi_data];
    ge_data =SEG7[ge_data];

    EA=0;
    bai = bai_data;
    shi = shi_data;
    ge  = ge_data ; 
	 EA=1;
 }
//******************************************************************
void delay_20us()
 {  uchar bt ;
    for(bt=0;bt<100;bt++);
 }
/*
void pai_xu()
  {  uint t;
  if (distance[0]>distance[1])
    {t=distance[0];distance[0]=distance[1];distance[1]=t;} /*交换值
  if(distance[0]>distance[2])
    {t=distance[2];distance[2]=distance[0];distance[0]=t;} /*交换值
  if(distance[1]>distance[2])
    {t=distance[1];distance[1]=distance[2];distance[2]=t;} /*交换值	 
    }
*/

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