STM32单片机超声波测距(避障)_基于stm32的超声波避障

1 实物准备

• STM32单片机，STM32F103C8T6
  
• 超声波传感器，HC-SR04
  

2 原理介绍

2.1 超声波传感器引脚和参数介绍（PA0–>Trig PA1–>Echo）


2.2 超声波测距实现原理
首先看原理图：

如图所示，超声波工作的过程实际就是不断循环主控(STM32)发送Trig信号、超声波模块发送驱动信号以及主控接收Echo信号并测距则三个过程。
具体过程为：
首先单片机给超声波模块发送大于10微秒的高电平Trig信号，当超声波模块收到Trig信号后会向前发送超声波驱动脉冲，最后超声波模块等待超声波脉冲返回，在收到返回信号之前Echo端口一直为高电平，直到收到回传信号Echo端口电平翻转。故而可以在Trig端口打出高电平启动信号后，计算出Echo端口高电平的持续时间。
通过上述过程可以得到超声波的传播时间，这部分实际上具体的实现就是单片机端口的简单操作，发送信号和检测端口状态以及通过定时器来获得最终的时间。
而得到了超声波的传播时间后，将时间带入公式（距离和时间（定时器）相关的公式）即可计算出距离。
因为超声波在声音中传输的速度是340m/s左右，所以可以得到障碍物的距离与Echo端口的高电平持续时间有如下所示关系。

对于模块的启动信号，可以随便使用一个GPIO口发送10微妙以上的高电平来实现，本次设计使用的是PA0端口作为与超声波模块连接的Trig端口。
关于Echo端口的高电平持续时间的获取，实际上也是通过定时器实现。通过开启定时器TIM2，并配置外部中断定时器TIM2通道2，当Echo端（PA1）翻转成高电平时，执行外部中断句柄。进入外部中断句柄后，首先开启定时器并记录定时器当前的计数值CH1，再进入一个循环判断直到Echo端电平翻转成低电平，记录此时的定时器计数值为CH2，然后关闭定时器。通过将计数值CH2和CH1做差即可得到Echo端口高电平时间内定时器计数个数再和定时器单位计数个数对应得实际时间相乘即可得到Echo端口高电平持续得时间。
定时器一个单位计数对应得实际时间和配置定时器时得预分频值PSC有关，本次设计配置预分频值PSC为71。单位计数对应得时间和预分频值得关系如下式所示。

若使用的定时器预分频器得输入时钟为72M，代入上式可得单位计数对应得实际时间为1微秒。所以可以得到超声波测得得距离计算公式如下式所示。

故而可以实现测距功能。

3 代码

下文给出了绝大部分代码除了OLED显示的代码，因为OLED版本不同所以未给出。之前使用的是4针的IIC通信的OLED。下述代码中的模块函数均为c文件，h文件可自行建立。

3.0 延时函数代码（对应Delay.h）:

/*************************Delay延时模块*******************************
模块功能：产生X (us ms s)延时效果
*********************************************************************/
#include "stm32f10x.h"
//0到233015微妙延时
void Delay_us(uint32_t xus)
{
	SysTick->LOAD = 72 * xus;			//设置定时器重装值ARR=72x
	SysTick->VAL = 0x00;					//清空当前计数值
	SysTick->CTRL = 0x00000005;	//设置时钟源为HCLK 启动定时器
	while(!(SysTick->CTRL & 0x00010000));//等待计数到0
	SysTick->CTRL = 0x00000004;		//关闭定时器
}

//函数功能：0~4294967295毫秒延时
void Delay_ms(uint32_t xms)
{
	while(xms--)
	{
		Delay_us(1000);
	}
}

 //0~4294967295秒级延时
void Delay_s(uint32_t xs)
{
	while(xs--)
	{
		Delay_ms(1000);
	}
} 

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3.1 定时器代码（对应Timer.h）：

#include "stm32f10x.h"//头文件
//超声波测距定时器TIM2 初始化
void Timer_Init(void)
{	//开启定时器时钟
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	//使用内部时钟
	TIM_InternalClockConfig(TIM2);
	TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;//不分频
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;//向上计数
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = 65535;//ARR
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler=72-1;//预分频值
	TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter = 0;//CNT到达ARR中断一次
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);
	TIM_SetCounter(TIM2,0);//CNT值清0
}

//开启TIM2定时器
void Timer_ON(void)
{
	TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);
}

//关闭TIM2定时器
void Timer_OFF(void)
{
	TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);
}
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3. 2 超声波代码：

#include "stm32f10x.h"               
#include "Delay.h"
#include "Timer.h"
#include "OLED.h"
//参数初始化
float Num;
int i=0,Counter,Sum,Dec,CNT_Mean,CN1,CN2;
//超声波模块触发函数
void SR04_Start(void)
{
	GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);//A0置1大于10us
	Delay_us(15);
	GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0);
}

void SR04_Init(void)
{
	Timer_Init();//开启定时器3
	GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;//定义初始化结构体
	EXTI_InitTypeDef EXTI_InitStructure;//定义外部中断结构体
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;//定义NVIC结构体
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);//开GPIO时钟
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO,ENABLE);//开AFIO时钟
	GPIO_EXTILineConfig(GPIO_PortSourceGPIOA,GPIO_PinSource1);
	EXTI_InitStructure.EXTI_Line=EXTI_Line1;
	EXTI_InitStructure.EXTI_Mode = EXTI_Mode_Interrupt;	
	EXTI_InitStructure.EXTI_Trigger = EXTI_Trigger_Rising;
	EXTI_InitStructure.EXTI_LineCmd = ENABLE;
	EXTI_Init(&EXTI_InitStructure);
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = EXTI1_IRQn;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; 
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 1;
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;	
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
	//脉冲触发端口 Trig=PA0
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 ;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	//回波接收端口 Echo=PA1
	GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
	GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);
	SR04_Start();
}
void EXTI1_IRQHandler(void)
{
	Delay_us(50);
	if(EXTI_GetITStatus(EXTI_Line1) != RESET)
	{	
		Timer_ON();//开始计时
		CN1 = TIM_GetCounter(TIM2);
		while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1));//A1为高电平时一直循环下去
		CN2 = TIM_GetCounter(TIM2);
		Timer_OFF();
		Counter = CN2 - CN1;//获得计数差
		EXTI_ClearITPendingBit(EXTI_Line1);//清除标志位
	}
}
                         
void Show_SRDis(void)
{
	for(i=0;i<5;i++)//均值滤波
	{
		SR04_Init();
		Sum+=Counter;
	}
	CNT_Mean=Sum/5;
	Num=CNT_Mean*0.017;//b/5 * 17/1000
	Dec=(17*Sum/5)%100;//100取余得到小数点后值
	OLED_ShowNum(1,7,Num,3);
	OLED_ShowNum(1,11,Dec,2);
	Delay_ms(100);
	Sum=0;//更新Sum
}

//返回超声波测距值
float Get_DisVal(void)
{
	return Num;
}
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3. 4 主函数代码：

#include "stm32f10x.h"// Device header
#include "Delay.h"	//延时函数模块
#include "OLED.h"//OLED显示模块
#include "HCSR04.h"//超声波模块

int main(void)
{
	OLED_Init();//OLED初始化
    while(1)
    {
        Show_SRDis();//超声波获取当前距离
    }
}
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4 实物结果演示

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