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STM32+HC-SR04超声波测距

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ID:302936 发表于 2018-4-6 22:16 | 显示全部楼层 |阅读模式
首先,先来看一下这个模块的基本功能和原理。

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3mm;模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。像智能小车的测距以及转向,或是一些项目中,常常会用到。智能小车测距可以及时发现前方的障碍物,使智能小车可以及时转向,避开障碍物。

注意是5v输入,但是我用stm32 的3.3v输入也是没有问题的。
892371-20160405175004984-1373897222.png
二.工作原理
      1.给超声波模块接入电源和地。
      2.给脉冲触发引脚(trig)输入一个长为20us的高电平方波
      3.输入方波后,模块会自动发射8个40KHz的声波,与此同时回波引脚(echo)端的电平会由0变为1;(此时应该启动定时器计时)
      4.当超声波返回被模块接收到时,回波引 脚端的电平会由1变为0;(此时应该停止定时器计数),定时器记下的这个时间即为超声波由发射到返回的总时长。
      5.根据声音在空气中的速度为344米/秒,即可计算出所测的距离。
      要学习和应用传感器,学会看懂传感器的时序图是很关键的,所以我们来看一下HC-SR04的时序触发图。
    892371-20160405175234031-1177610742.png

    我们来分析一下这个时序图,先由触发信号启动HC-RS04测距模块,也就是说,主机要先发送至少10us的高电平,触发HC-RS04,模块内部发出信号是传感器自动回应的,我们不用去管它。输出回响信号是我们需要关注的。信号输出的高电平就是超声波发出到重新返回接收所用的时间。用定时器,可以把这段时间记录下来,算出距离,别忘了结果要除于2,因为总时间是发送和接收的时间总和。
下面是亲测可用的驱动程序。
芯片型号为stm32f103zet6,超声波测距后通过串口打印到电脑上面。
驱动和测距;




实验结果: 1083998-20170608202310075-325550842.png

好了,其实这个模块很简单,但是要是把他用的很好的话还是比较困难的,比如用超声波做一个四轴定高的程序,还是有一定的挑战性的。
写这篇博客的目的不仅仅是介绍这个模块的使用,其实这种使用介绍网上一搜一大把,我只是想纪录一下,我在做这个模块的时候遇到的一些其他的问题。
其中有一个小插曲,就是当吧写好的程序烧进去之后,运行时总是出现每次返回一个同样的比正常值小的多的数据,比如说0.034cm,这明显是一个错误的数据,但是刚开始的时候,不知道为什么
总是这样,多次复位从新上电总是这一个数据。让我很是苦恼。但是幸运的是,在这样的情况中间,他又会有时出现一两个正常的的数据,让你有点摸不着头脑。
上网查了一下才慢慢明白,这种现象叫做“余震”,网上关于余震的解释大致有三种:
  1、探头的余震。即使是分体式的,发射头工作完后还会继续震一会,这是物理效应,也就是余震。这个余震信号也会向外传播。如果你的设计是发射完毕后立刻切换为接收状态(无盲区),那么这个余震波会通过壳体和周围的空气,直接到达接收头、干扰了检测(注:通常的测距设计里,发射头和接收头的距离很近,在这么短的距离里超声波的检测角度是很大的,可达180度)。
  2、壳体的余震。就像敲钟一样,能量仍来自发射头。发射结束后,壳体的余震会直接传导到接收头,当然这个时间很短,但已形成了干扰。另外,在不同的环境温度下,壳体的硬度和外形会有所变化,其余震有时长、有时短、有时干扰大、有时干扰小,这是设计工业级产品时必须要考虑的问题。
  3、电路串扰。超声波发射时的瞬间电流很大,例如某种工业级连续测距产品瞬间电流会有15A,通常的产品也能达到1A,瞬间这么大的电流会对电源有一定影响,并干扰接收电路。通过改善电源设计可以缓解这种情况,但在低成本设计中很难根除。所以每次发射完毕,接收电路还需要一段时间稳定工作状态。在此期间,其输出的信号很难使用。

消除上述现象的方法之一就是在检测的时候多次循环检测,取平均值,也就是加权平均滤波,一个简单的滤波处理。就是下面这一段:
  1. u32 t = 0;  
  2. int i = 0;  
  3. float lengthTemp = 0;  
  4. float sum = 0;  
  5. while(i!=5)  
  6. {  
  7. TRIG_Send = 1;      //发送口高电平输出  
  8. Delay_Us(20);  
  9. TRIG_Send = 0;  
  10. while(ECHO_Reci == 0);      //等待接收口高电平输出  
  11.     OpenTimerForHc();        //打开定时器  
  12.     i = i + 1;  
  13.     while(ECHO_Reci == 1);  
  14.     CloseTimerForHc();        //关闭定时器  
  15.     t = GetEchoTimer();        //获取时间,分辨率为1US  
  16.     lengthTemp = ((float)t/58.0);//cm  
  17.     sum = lengthTemp + sum ;  
  18.   
  19.   
  20. lengthTemp = sum/5.0;  
  21. return lengthTemp;  
复制代码

加了这个之后,基本上就没有出现余震现象了。

还有一点就是测试程序前一定要检查引脚有没有接错,不管多有把握,也要看一遍,不然很容易出大事的,一个芯片也许就因为你的大意给GG了。切记,这个应该也算我们这个行业的基本素养吧。

  1.      //超声波测距  
  2.       
  3.     #include "hcsr04.h"  
  4.       
  5.     #define HCSR04_PORT     GPIOB  
  6.     #define HCSR04_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOB  
  7.     #define HCSR04_TRIG     GPIO_Pin_5  
  8.     #define HCSR04_ECHO     GPIO_Pin_6  
  9.       
  10.     #define TRIG_Send  PBout(5)   
  11.     #define ECHO_Reci  PBin(6)  
  12.       
  13.     u16 msHcCount = 0;//ms计数  
  14.       
  15.     void Hcsr04Init()  
  16.     {   
  17.         TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;     //生成用于定时器设置的结构体  
  18.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;  
  19.         RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);  
  20.            
  21.             //IO初始化  
  22.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;       //发送电平引脚  
  23.         GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;  
  24.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出  
  25.         GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
  26.         GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);  
  27.            
  28.         GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =   HCSR04_ECHO;     //返回电平引脚  
  29.         GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入  
  30.         GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);   
  31.             GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);      
  32.            
  33.                 //定时器初始化 使用基本定时器TIM6  
  34.             RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);   //使能对应RCC时钟  
  35.             //配置定时器基础结构体  
  36.             TIM_DeInit(TIM2);  
  37.             TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (1000-1); //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值         计数到1000为1ms  
  38.             TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =(72-1); //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值  1M的计数频率 1US计数  
  39.             TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//不分频  
  40.             TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式  
  41.             TIM_TimeBaseInit(TIM6, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位         
  42.               
  43.             TIM_ClearFlag(TIM6, TIM_FLAG_Update);   //清除更新中断,免得一打开中断立即产生中断  
  44.             TIM_ITConfig(TIM6,TIM_IT_Update,ENABLE);    //打开定时器更新中断  
  45.             hcsr04_NVIC();  
  46.         TIM_Cmd(TIM6,DISABLE);      
  47.     }  
  48.       
  49.       
  50.     //tips:static函数的作用域仅限于定义它的源文件内,所以不需要在头文件里声明  
  51.     static void OpenTimerForHc()        //打开定时器  
  52.     {  
  53.             TIM_SetCounter(TIM6,0);//清除计数  
  54.             msHcCount = 0;  
  55.             TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);  //使能TIMx外设  
  56.     }  
  57.       
  58.     static void CloseTimerForHc()        //关闭定时器  
  59.     {  
  60.             TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);  //使能TIMx外设  
  61.     }  
  62.       
  63.       
  64.      //NVIC配置  
  65.     void hcsr04_NVIC()  
  66.     {  
  67.                 NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;  
  68.                 NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);  
  69.          
  70.                 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM6_IRQn;             //选择串口1中断  
  71.                 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //抢占式中断优先级设置为1  
  72.                 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;         //响应式中断优先级设置为1  
  73.                 NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;        //使能中断  
  74.                 NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);  
  75.     }  
  76.       
  77.       
  78.     //定时器6中断服务程序  
  79.     void TIM6_IRQHandler(void)   //TIM3中断  
  80.     {  
  81.             if (TIM_GetITStatus(TIM6, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM3更新中断发生与否  
  82.             {  
  83.                     TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志   
  84.                     msHcCount++;  
  85.             }  
  86.     }  
  87.       
  88.       
  89.     //获取定时器时间  
  90.     u32 GetEchoTimer(void)  
  91.     {  
  92.             u32 t = 0;  
  93.             t = msHcCount*1000;//得到MS  
  94.             t += TIM_GetCounter(TIM6);//得到US  
  95.               TIM6->CNT = 0;  //将TIM2计数寄存器的计数值清零  
  96.                     Delay_Ms(50);  
  97.             return t;  
  98.     }  
  99.       
  100.       
  101.     //一次获取超声波测距数据 两次测距之间需要相隔一段时间,隔断回响信号  
  102.     //为了消除余震的影响,取五次数据的平均值进行加权滤波。  
  103.     float Hcsr04GetLength(void )  
  104.     {  
  105.             u32 t = 0;  
  106.             int i = 0;  
  107.             float lengthTemp = 0;  
  108.             float sum = 0;  
  109.             while(i!=5)  
  110.             {  
  111.             TRIG_Send = 1;      //发送口高电平输出  
  112.             Delay_Us(20);  
  113.             TRIG_Send = 0;  
  114.             while(ECHO_Reci == 0);      //等待接收口高电平输出  
  115.                 OpenTimerForHc();        //打开定时器  
  116.                 i = i + 1;  
  117.                 while(ECHO_Reci == 1);  
  118.                 CloseTimerForHc();        //关闭定时器  
  119.                 t = GetEchoTimer();        //获取时间,分辨率为1US  
  120.                 lengthTemp = ((float)t/58.0);//cm  
  121.                 sum = lengthTemp + sum ;  
  122.               
  123.         }  
  124.             lengthTemp = sum/5.0;  
  125.             return lengthTemp;  
  126.     }  
  127.       
  128.       
  129.     /*:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  130.     ** 函数名称: Delay_Ms_Ms
  131.     ** 功能描述: 延时1MS (可通过仿真来判断他的准确度)           
  132.     ** 参数描述:time (ms) 注意time<65535
  133.     :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::*/  
  134.     void Delay_Ms(uint16_t time)  //延时函数  
  135.     {   
  136.         uint16_t i,j;  
  137.         for(i=0;i<time;i++)
  138.             for(j=0;j<10260;j++);  
  139.     }  
  140.     /*:::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::
  141.     ** 函数名称: Delay_Ms_Us
  142.     ** 功能描述: 延时1us (可通过仿真来判断他的准确度)
  143.     ** 参数描述:time (us) 注意time<65535                 
  144.     :::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::::*/  
  145.     void Delay_Us(uint16_t time)  //延时函数  
  146.     {   
  147.         uint16_t i,j;  
  148.         for(i=0;i<time;i++)
  149.             for(j=0;j<9;j++);  
  150.     }  
复制代码

但是关于USART的函数我就不往上写了,这个简单的串口打印大家应该都会写。下面简单贴一下我的主函数吧。
  1.      /*
  2.     教训:实验前一定要检查引脚连接是否正确,万不可搞错,不然又要烧坏芯片!!!!
  3.     2017.6.8
  4.     */  
  5.       
  6.     #include "hcsr04.h"  
  7.     #include "chao_usart.h"  
  8.       
  9.     int main()  
  10.     {  
  11.          
  12.             float length;  
  13.               
  14.             GPIO_cfg();  
  15.           NVIC_cfg();  
  16.             USART_cfg();      
  17.             printf("串口初始化成功!");  
  18.          
  19.             Hcsr04Init();     
  20.             printf("超声波初始化成功!");//测试程序是否卡在下面两句上面  
  21.       
  22.             length = Hcsr04GetLength();  
  23.             printf("距离为:%.3f",length);  
  24.          
  25.          
  26.     }  
复制代码


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ID:107559 发表于 2018-4-7 16:42 | 显示全部楼层
那这个经过改进后的代码,最小最精细的测距能达到多少毫米?
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ID:712537 发表于 2020-4-6 23:47 | 显示全部楼层
测试的速度不够快,也就是灵活性不太好。
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ID:727047 发表于 2020-4-11 17:17 | 显示全部楼层
特别给力,谢谢
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ID:727047 发表于 2020-4-11 17:17 | 显示全部楼层
特别给力,谢谢楼主。
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ID:763242 发表于 2020-5-28 11:25 | 显示全部楼层
这个有protues8.6版本的仿真图么?
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ID:777315 发表于 2020-6-12 15:02 | 显示全部楼层
正在研究这个,,不错不错,参考下,
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ID:591382 发表于 2020-8-17 18:37 | 显示全部楼层
超声波模块我这几天有在学,它的功能用处很多,值得学习。
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ID:859370 发表于 2022-4-1 11:32 | 显示全部楼层
非常感谢,非常有用
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ID:842688 发表于 2022-4-2 00:51 来自手机 | 显示全部楼层
高手!但是遇到一个问题,灵活性好像不太好啊
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ID:361216 发表于 2022-10-24 11:12 | 显示全部楼层
51用的话应该也没有问题哈
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