基于stm32的多功能时钟4——超声波测距

        hello，读者们好！

         前两章，主要讲述了环境参量的测量获取，想必大家都有些许收获。在这一章中，我将介绍如何利用超声波来测距。在现实生活中，利用超声波测距的应用很多，广泛应用于机器人避障 、物体测距 、液位检测 、公共安防、停车场检测等领域。

        本次测距使用的超声波为HC-SRO4，该模块共有4个引脚，分别是两个电源引脚VCC和GND，一个触发控制信号输入（TRIG）和一个回响信号输出（ ECHO），性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。

        那么，超声波模块测距原理是：首先，给Trig引脚至少10us的高电平信号，检测Echo是否有信号返回，若有信号返回，则Echo发出高电平。高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，所以测试距离为（高电平时间*声速）/2。下面，就是超声波模块的时序图。

        本模块使用方法简单，配合stm32的定时器TIM4，一个控制口发一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器TIM4计时，当此口变为低电平时就可以读定时器TIM4的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，即可以达到你移动测量的值。

（1）配置超声波的引脚

/*初始化超声波引脚:Trig:PB0,Echo:PB1*/

void ultra_gpio_init(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure

    /*使能GPIO的RCC时钟*/

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE)

    /*配置Trig引脚*/

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0

    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP//Trig

    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure)

    /*配置Echo引脚*/

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1

    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING//Echo

    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure)

}

        由于PB0接超声波Trig引脚，所以选择推挽输出模式，PB1接超声波Echo引脚，所以选择浮空输入模式。这样，超声波模块引脚就配置完成。

（2）定时器TIM4初始化

/*定时器4的NVIC配置*/

void tim4_nvic_config(void)

{

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2)

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0//抢占优先级为0

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0//子优先级为0

    NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE

    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct)

}

/*定时器4初始化*/

void tim4_config(void)

{

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct

    tim4_nvic_config()                                //配置NVIC

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE)//开启时钟

    TIM_DeInit(TIM4)                                      //定时器4复位

    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000-1                  //自动重装载寄存器值

    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72-1              //时钟预分频数

    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1    //采样分频

    TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up//计数模式

    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStruct)            //初始化TIM4

    TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update)                        //清除溢出中断标志

    TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE)

    TIM_Cmd(TIM4, DISABLE)

}

        由于考虑到测距时的距离过大，计数会溢出，出现不准确的现象，这里需要用到长计时，并且使用TIM4中断对计时变量进行自增，所以需要配置NVIC。这里设置的中断优先级比较高，因为测距不能被其他中断打断，否则可能出现数据不准的现象，或是数据抖动现象。其次，设置TIM4的中断溢出时间为1ms，此时还不能开启定时器TIM4。

（3）编写定时器中断程序

/*定时器4中断服务函数*/

void TIM4_IRQHandler(void)

{

    if(TIM_GetITStatus(TIM4 ,TIM_IT_Update)!=RESET)

    {

        TIM4_NUM++//长计时变量

    }

    TIM_ClearITPendingBit(TIM4 ,TIM_FLAG_Update)

}

        为避免测量的距离过长，这里我们需要进行长计时，只需在中断函数里这样 *** 作：TIM4_NUM++，同时记得在每次测量距离前对TIM4_NUM复位即可。

（4）编写超声波测距相关函数

/*启动超声波测距*/

u16 ultra_measure(void)

{

    u16 distance

    TRIG_H

    delay_us(20)

    TRIG_L

    while(ECHO==RESET)

    TIM_SetCounter(TIM4,0)

    TIM4_NUM = 0

    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE)

    while(ECHO!=RESET)

    TIM_Cmd(TIM4, DISABLE)

    distance = (u16)ultra_get_distance()

    return distance

}

/*获取超声波传播时间,间接计算出距离*/

float ultra_get_distance(void)

{

    u32 time

    float distance

    time = TIM4_NUM*1000

    time += TIM_GetCounter(TIM4)//获取超声波测距总时间

    TIM4->CNT = 0                            //定时器复位

    distance = (float)time*0.017

    return distance

}

        这里，需要查阅超声波手册中的时序图，方可编写程序。首先，向给trig 发送至少10 us的高电平脉冲，然后等待，捕捉 echo 端输出上升沿，捕捉到上升沿的同时，打开定时器开始计时，再次等待捕捉echo的下降沿，当捕捉到下降沿，读出计时器的时间，这就是超声波在空气中运行的时间，按照测试距离=（高电平时间*声速）/2 就可以算出超声波到障碍物的距离。

        这里我们测算的距离：distance = (float)time*0.017，计算的距离单位为cm。

（5）主函数调用测距函数

最后，在主函数里，调用测距函数即可获取到距离值，再通过lcd显示函数，显示出距离值。

    value = ultra_measure()

    lcd_display_string(0,32,"测量距离")

    lcd_display_num_m(3, 48, value/1000)

    lcd_display_num_m(3, 56, (value%1000)/100)

    lcd_display_num_m(3, 64, (value%100)/10)

    lcd_display_num_m(3, 72, value%10)

        通过本章的介绍，相信你对于超声波测距应该了解不少了吧，相信你也可以做出来的。通过不断改变超声波和障碍物之间的位置，距离值会随之改变，是不是很有趣啊~

        到目前为止，多功能时钟已经具备了显示时间、测量温湿度、测量空气质量以及测距的功能，但我们的LCD显示部分还没有优化。在下一章中，我将带着大家完成多功能时钟人机交互界面（简称UI）的开发，到时候，我们的界面就会变得比较美观了。敬请期待~

希望对你有帮助

//超声波模块显示程序

#include <reg52.h>//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

sbit Tx = P3^3//产生脉冲引脚

sbit Rx = P3^2//回波引脚

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

i=0

flag=0

Tx=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

EX0=0 //关闭外部中断

EA=1//打开总中断0

while(1) //程序循环

{

EA=0

Tx=1

delay_20us()

Tx=0//产生一个20us的脉冲，在Tx引脚

while(Rx==0)//等待Rx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

}

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=geP2=0x7fflag++break

case 0x01:P0=shiP2=0xbfflag++break

case 0x02:P0=baiP2=0xdfflag=0break

}

}

//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]&0x7f

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=0bt<60bt++)

}

void pai_xu()

{ uint t

if (distance[0]>distance[1])

{t=distance[0]distance[0]=distance[1]distance[1]=t}

if(distance[0]>distance[2])

{t=distance[2]distance[2]=distance[0]distance[0]=t}

if(distance[1]>distance[2])

{t=distance[1]distance[1]=distance[2]distance[2]=t}

}

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