STM32单片机基于HAL库开发HC-SR04 超声波测距模块（终极版）

参考：

• 某宝HC-SR04 超声波测距模块商品详情页
• STM32L051C8T6 HAL库 输入捕获进行超声波测距 案例
• STM32CubeMX学习笔记3——TIM2输入捕获（SR-04测距）
• cubemx下的输入捕获进行超声波测距
• 【STM32】HAL库 STM32CubeMX教程八—定时器输入捕获
• 基于stm32的多功能时钟4——超声波测距
• 基于STM32的超声波传感器测距
• STM32 Ultrasonic Sensor HC-SR04 Library With Timer Input Capture(这篇文章写的很好，我参考了他好多)

1.关于HC-SR04 超声波测距模块

某宝上的HC-SR04 超声波测距模块有很多种，大概分的话：

• 一类是只能工作在5V电压下的，仅支持GPIO模式的模块（好多都是这种）
• 还有一种是我最近买到的一款，支持宽电压（5V、3.3V），支持GPIO、UART、IIC三种模式接口，如下图
  
  

模块的背面有用来模式选择的电阻（0603），如下图

2.使用GPIO模式测量

2.1 先看原理

简单来说GPIO模式下测距就三步：

1. 给Trig引脚一个大于10us的高电平
2. 等待回响信号，单片机测量ECHO引脚的高电平时间
3. 计算距离

我学习到的对于回响信号的高电平时间的测量，STM32单片机使用定时器的方式有两种：

• 出现上升沿，开启定时器从0开始计数，然后while (HAL_GPIO_ReadPin(hc_sr04_device->echo_port, hc_sr04_device->echo_pin) == GPIO_PIN_SET);等待回响信号的下降沿，停止计数，根据定时器的计数值来计算距离。
• 使用定时器的输入捕获功能，在捕获到上升沿或下降沿时的中断函数中记录下定时器的计数值，并计算距离。
  一开始我使用的方法1，可以用，但是由于用了while 等待回响信号的高电平结束，会造成阻塞，有时候不太好用。
  然后又学到可以用输入捕获来做高电平时间的测量，这里我仅记录下方法2

2.2 使用STM32CubeMX初始化代码

2.2.1 时钟配置

这里我用的是STM32F103C8T6的核心板，时钟配置如下图，我用了8MHz的HSE，HCLK调到了最大值72MHz

2.2.2 设置输入捕获的定时器

设置定时器TIM2每1us向上计数一次，通道4为上升沿捕获并连接到超声波模块的ECHO引脚，记得开启定时器中断（涉及到捕获中断+定时器溢出中断）。

2.2.3 触发引脚

PB10接到了HC-SR04的TIRG触发引脚，默认输出低电平

2.2.4 串口配置

还要开启一个串口，以便通过串口查看测距结果

2.3 编写代码（有时间改个好移植版本的）

hc-sr04.h

/*
 * @Author       : yzy
 * @Date         : 2021-05-31 17:03:27
 * @LastEditors  : yzy
 * @LastEditTime : 2021-05-31 19:02:54
 * @Description  : 
 * @FilePath     : \F103_Test\BSP_HARDWARE\hc-sr04.h
 */
#ifndef HCSR04_H_
#define HCSR04_H_

#include "main.h"
#include "delay.h"

typedef struct
{
	uint8_t  edge_state;
	uint16_t tim_overflow_counter;
	uint32_t prescaler;
	uint32_t period;
	uint32_t t1;	//	上升沿时间
	uint32_t t2;	//	下降沿时间
	uint32_t high_level_us;	//	高电平持续时间
	float    distance;
	TIM_TypeDef* instance;
  uint32_t ic_tim_ch;
	HAL_TIM_ActiveChannel active_channel;
}Hcsr04InfoTypeDef;

extern Hcsr04InfoTypeDef Hcsr04Info;

/**
 * @description: 超声波模块的输入捕获定时器通道初始化
 * @param {TIM_HandleTypeDef} *htim
 * @param {uint32_t} Channel
 * @return {*}
 */
void Hcsr04Init(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel);

/**
 * @description: HC-SR04触发
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
void Hcsr04Start();

/**
 * @description: 定时器计数溢出中断处理函数
 * @param {*}    main.c中重定义void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef* htim)
 * @return {*}
 */
void Hcsr04TimOverflowIsr(TIM_HandleTypeDef *htim);

/**
 * @description: 输入捕获计算高电平时间->距离
 * @param {*}    main.c中重定义void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
 * @return {*}
 */
void Hcsr04TimIcIsr(TIM_HandleTypeDef* htim);

/**
 * @description: 读取距离 
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
float Hcsr04Read();

#endif /* HCSR04_H_ */

hc-sr04.c

/*
 * @Author       : yzy
 * @Date         : 2021-05-31 17:03:23
 * @LastEditors  : yzy
 * @LastEditTime : 2021-06-21 22:16:28
 * @Description  : 
 * @FilePath     : \CSDN_HC-SR04_GPIO\BSP_HARDWARE\HC-SR04\hc-sr04.c
 */
#include "hc-sr04.h"

Hcsr04InfoTypeDef Hcsr04Info;

/**
 * @description: 超声波模块的输入捕获定时器通道初始化
 * @param {TIM_HandleTypeDef} *htim
 * @param {uint32_t} Channel
 * @return {*}
 */
void Hcsr04Init(TIM_HandleTypeDef *htim, uint32_t Channel)
{
  /*--------[ Configure The HCSR04 IC Timer Channel ] */
  // MX_TIM2_Init();  // cubemx中配置
  Hcsr04Info.prescaler = htim->Init.Prescaler; //  72-1
  Hcsr04Info.period = htim->Init.Period;       //  65535

  Hcsr04Info.instance = htim->Instance;        //  TIM2
  Hcsr04Info.ic_tim_ch = Channel;
  if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_1)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  else if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_2)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_2;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  else if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_3)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_3;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  else if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_4)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_4;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  else if(Hcsr04Info.ic_tim_ch == TIM_CHANNEL_4)
  {
    Hcsr04Info.active_channel = HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_4;             //  TIM_CHANNEL_4
  }
  /*--------[ Start The ICU Channel ]-------*/
  HAL_TIM_Base_Start_IT(htim);
  HAL_TIM_IC_Start_IT(htim, Channel);
}

/**
 * @description: HC-SR04触发
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
void Hcsr04Start()
{
  HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET);
  DelayUs(10);  //  10us以上
  HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

/**
 * @description: 定时器计数溢出中断处理函数
 * @param {*}    main.c中重定义void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef* htim)
 * @return {*}
 */
void Hcsr04TimOverflowIsr(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if(htim->Instance == Hcsr04Info.instance) //  TIM2
  {
    Hcsr04Info.tim_overflow_counter++;
  }
}

/**
 * @description: 输入捕获计算高电平时间->距离
 * @param {*}    main.c中重定义void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
 * @return {*}
 */
void Hcsr04TimIcIsr(TIM_HandleTypeDef* htim)
{
  if((htim->Instance == Hcsr04Info.instance) && (htim->Channel == Hcsr04Info.active_channel))
  {
    if(Hcsr04Info.edge_state == 0)      //  捕获上升沿
    {
      // 得到上升沿开始时间T1，并更改输入捕获为下降沿
      Hcsr04Info.t1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, Hcsr04Info.ic_tim_ch);
      __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, Hcsr04Info.ic_tim_ch, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING);
      Hcsr04Info.tim_overflow_counter = 0;  //  定时器溢出计数器清零
      Hcsr04Info.edge_state = 1;        //  上升沿、下降沿捕获标志位
    }
    else if(Hcsr04Info.edge_state == 1) //  捕获下降沿
    {
      // 捕获下降沿时间T2，并计算高电平时间
      Hcsr04Info.t2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, Hcsr04Info.ic_tim_ch);
      Hcsr04Info.t2 += Hcsr04Info.tim_overflow_counter * Hcsr04Info.period; //  需要考虑定时器溢出中断
      Hcsr04Info.high_level_us = Hcsr04Info.t2 - Hcsr04Info.t1; //  高电平持续时间 = 下降沿时间点 - 上升沿时间点
      // 计算距离
      Hcsr04Info.distance = (Hcsr04Info.high_level_us / 1000000.0) * 340.0 / 2.0 * 100.0;
      // 重新开启上升沿捕获
      Hcsr04Info.edge_state = 0;  //  一次采集完毕，清零
      __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, Hcsr04Info.ic_tim_ch, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING);
    }
  }
}

/**
 * @description: 读取距离 
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
float Hcsr04Read()
{
  // 测距结果限幅
  if(Hcsr04Info.distance >= 450)
  {
    Hcsr04Info.distance = 450;
  }
  return Hcsr04Info.distance;
}

main.c

1. 引用对应的头文件

/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "hc-sr04.h"
#include "printf.h"
/* USER CODE END Includes */

2. 200ms测距一次

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  DelayInit(72);
  Hcsr04Init(&htim2, TIM_CHANNEL_4);  //  超声波模块初始化
  Hcsr04Start();  //  开启超声波模块测距
  printf("hc-sr04 start!\r\n");
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    // 打印测距结果
    printf("distance:%.1f cm\r\n", Hcsr04Read());
    Hcsr04Start();
    DelayMs(200); //  测距周期200ms
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

3. 重定义定时器的中断服务函数

/* USER CODE BEGIN 4 */
/**
 * @description: 定时器输出捕获中断
 * @param {TIM_HandleTypeDef} *htim
 * @return {*}
 */
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  Hcsr04TimIcIsr(htim);
}

/**
 * @description: 定时器溢出中断
 * @param {*}
 * @return {*}
 */
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef* htim)
{
  Hcsr04TimOverflowIsr(htim);
}
/* USER CODE END 4 */

2.4 串口打印结果

3.使用UART模式测量

4.使用IIC模式测量