基于STM32的超声波倒车检测装置

一、前言

这里是为了完成学校嵌入式系统及应用实验而做的一个作业，硬件资源使用的是STM32F103VBT6开发板、HC-SR04超声波模块，蜂鸣器和数码管开发板上以及集成了。
完成了如下功能：1.使用外设超声波模块达到测距功能；2.通过串口发送指令，使整个装置进行倒车检测工作；3.可通过串口实时查看车辆距离障碍物的距离；4.同时数码管也可实时显示当前车辆距离障碍物的距离；5.当车辆距离障碍物距离小于10cm,蜂鸣器开始报警，串口输出WARNING！！！警告驾驶者距离过近。

二、基本原理

1.超声波测距原理

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。
基本工作原理:
(1)采用IO口TRIG触发测距，给至少10us 的高电平信号;
(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;

2.超声波时序图

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。

3.串口通信原理

（1）接口通过三个引脚与其他设备连接在一起。任何USART双向通信至少需要两个脚：接收数据输入(RX)和发送数据输出(TX)。
这个之前博文有详细说过，这里不在赘述STM32串口通信

4.数码管原理

数码管动态显示原理：动态显示的特点是将所有数码管的段选并联在一起，有位选控制是哪一位数码管有效。选亮数码管采用动态扫描显示。所谓动态扫描显示即轮流向各位数码管送出字形码和相应的位选，利用发光管的余晖和人眼视觉暂留作用，使人的感觉好像各位数码管同时都在显示。动态显示的亮度比静态显示要差一些，所有在选择限流电阻时应略小于静态显示电路中的。

5.蜂鸣器原理

本装置中控制蜂鸣器的方式采用I/O 口定时翻转电平驱动蜂鸣器。使用I/O 口定时翻转电平驱动蜂鸣器方式的设置比较简单，只需要对波形分析一下。由于驱动的信号刚好为周期500μs，占空比为1/2duty 的方波，只需要每250μs 进行一次电平翻转，就可以得到驱动蜂鸣器的方波信号。

6.GPIO原理

根据数据手册中列出的每个I/O端口的特定硬件特征，GPIO端口的每个位可以由软件分别配置成多种模式。①输入浮空 ②输入上拉 ③ 输入下拉 ④ 模拟输入 ⑥ 开漏输出 ⑦ 推挽式输出 ⑧ 推挽式复用功能 ⑨ 开漏复用功能，本装置采用的超声波模块，则复用了发送电平引脚PA0设置为推挽输出，返回电平引脚PA1设置为浮空输入。之前博文也有说到，这里不在赘述STM32GPIO

三、子模块设计以及代码

1.超声波测距模块

HC-SR04超声波模块有VCC供5V电源，GND为地线，TRIG触发控制信号输入，ECHO回响信号输出等四支线。刚好利用开发板EXT区的四个引脚，只需要复用GPIO实现输出输入功能即可。
超声波模块的关键代码如下：
ultrasonic.c

#include "ultrasonic.h"
#include"delay.h"//超声波硬件模块初始化
void Ultran_Init(void)
{RCC->APB2ENR|=1<<2;     //使能PORTA时钟//发送电平引脚PA0设置成推挽输出//返回电平引脚PAl设置成浮空输入GPIOA->CRL&=0XFFFFFF00;GPIOA->CRL|=0X00000083;
}
//超声波测距，均值5次，实际测量过程发现测量静态的比较稳定，动态的不稳定，3米范围内比较稳定
u32 Ultra_Ranging(void)
{//u8 i;u32 j=0;u32 Ultr_Temp; //for(i=0;i<5;i++){TRIG=1;delay_ms(10);TRIG=0;while(!ECHO);while(ECHO){delay_us(10);j++;}Ultr_Temp=j*340/200;//每次延时10us//把us转成s *10/2 / 1000= /200//delay ms (60);//防止发射信号对回响信号的影响}return Ultr_Temp;
}u32 Ultrasonic(void)
{unsigned int  E;u32 distance=0;TRIG=1;//给超声波一个信号delay_ms(11);;TRIG=0;while(ECHO==0);//等待低电while(ECHO==1)++distance;delay_ms(6);E=distance/24;return E;
}

ultrasonic.h

#ifndef _ultrasonic_H
#define _ultrasonic_H
#include "sys.h"
#include "stm32f10x_type.h"
//-----------------------------移植修改区----------------------------------
#define TRIG  PAout(0)
#define ECHO  PAin(1)
//---------------------------------------------------------------
void Ultran_Init(void);
u32 Ultra_Ranging(void);
u32 Ultrasonic(void);
#endif

2.蜂鸣器模块

利用板载蜂鸣器模块完成蜂鸣提醒的功能，通过查看原理图得知控制蜂鸣器的引脚PE5，只需要复用PE5的GPIO为输出模式，通过给PE5高电平使蜂鸣器发声，低电平使蜂鸣器不发声，类似于NPN三极管作为开关，当超声波测的车辆距离小于10cm时，发出报警。关键代码如下：
beep.c

#include "beep.h"
#include "delay.h"//蜂鸣器初始化
void BEEP_Init(void)
{RCC->APB2ENR|=1<<6;  //使能PORTE时钟GPIOE->CRL&= 0x00;GPIOE->CRL|=0x44344444; //初始化PE.5输出模式GPIOE->ODR|=1<<5; //    }//蜂鸣器开关
void beep_on(void)
{//蜂鸣器由NPN三极管作为开关// PE5高电平开关close蜂鸣器发声//PE5 低电平开关open蜂鸣器不发声GPIOE->ODR &= ~(1<<5);delay_ms(5);GPIOE->ODR |= 1<<5;delay_ms(5);
}

beep.h

#ifndef __BEEP_H__
#define __BEEP_H__#include "sys.h"//蜂鸣器初始化
void BEEP_Init(void);
//
void beep_on(void);#define BEEP PEout(5)                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                                 #endif /*__BEEP_H__*/

3.数码管以及串口显示模块

（1）对于八段数码管，需要显示当前车辆距离障碍的距离，因为超声波模块的最大范围是3米，精确度是毫米级，所以我们使用四位数码管显示距离即可，这里为了使用者查看方便，以厘米为单位，小数点显示在第二位数下方。
（2）对于串口显示，需要利用串口通信，打印当前车辆距离障碍物的距离，可以打印超声波模块的发射距离以及接收距离，以毫米为单位，同时如果距离小于10cm,串口会打印WRANING！！！，进一步提醒使用者。
主要代码如下：
led.c

#include "led.h"/***************************数码管段选***************************/
u8 segTable[] = {0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f,0x40};
u8 segTablePortation[] = {0xbf,0x86,0xdb,0xcf,0xe6,0xed,0xfd,0x87,0xff,0xef};/****************************************************
*初始化二极管LED灯的引脚端口
******************************************************/
void LED_Init()
{RCC->APB2ENR|=1<<0;  //使能AFIORCC->APB2ENR|=1<<3;  //使能PORTB时钟RCC->APB2ENR|=1<<6; //使能PORTE时钟  AFIO->MAPR|=0x02000000;//复用口设置设置PB.3为I/O口可用，且可以sw仿真GPIOB->CRL &= 0xFFFF0000;GPIOB->CRL |= 0x00003333; //PB.3推挽输出GPIOB->ODR |= 0x000000FF; //PB.3输出高GPIOE->CRH&=0X00000000;GPIOE->CRH|=0X33333333; //PE.8-15推挽输出GPIOE->ODR|=0x0000FF00; //PE.8-15输出高
}/***************************************
*数码管显示不带小数点的数值
*参数w:显示的位置，即位选，左-右:0-7
*value:要显示的数值
****************************************/
void SetLed(u8 w, u8 value)
{SEL0 = w%2;SEL1 = w/2%2;SEL2 = w/4;LedValue(segTable[value]);
}/***************************************
*数码管显示带小数点的数值
*参数w:显示的位置，即位选，左-右:0-7
*value:要显示的数值
****************************************/
void PortationDisplay(u8 w, u8 value)
{SEL0 = w%2;SEL1 = w/2%2;SEL2 = w/4;LedValue( segTablePortation[value] );
}

led.h

#ifndef __LED_H
#define __LED_H#include "sys.h"//LED端口定义
#define LED_SEL PBout(3) //PB3 显示位置选择//位选
#define SEL0 PBout(0)
#define SEL1 PBout(1)
#define SEL2 PBout(2)//段选
#define LED0 PEout(8)
#define LED1 PEout(9)
#define LED2 PEout(10)
#define LED3 PEout(11)
#define LED4 PEout(12)
#define LED5 PEout(13)
#define LED6 PEout(14)
#define LED7 PEout(15)void LED_Init(void);//初始化
void LedValue( u8 value ); //设置数码管E-A的值;流水灯L7-L0的值
void SetLed(u8 w, u8 value); //设置数码管哪位显示什么数字
void PortationDisplay(u8 w, u8 value); //数码管显示带小数点的数值#endif

功能函数主要代码

//数码管显示和串口打印距离数值
void Ultrasonic_on()
{u8 i;u32 d0 = 0;u32 d1 = 0;d0 = Ultrasonic();d1 = Ultra_Ranging();//´打印发射距离和接收距离printf("D0 = %ld mm \t D1 = %ld mm\n\r",d0,d1);
//距离小于100mm,蜂鸣器报警if(d1/100%10==0){beep_on();printf("\n WARNING！！！\n\r");}//数码管显示接收距离for(i=0;i<100;i++){SetLed(7, d1%10);delay_ms(1);PortationDisplay(6, d1/10%10);//第二位数需要带上小数点，单位为cmdelay_ms(1);SetLed(5, d1/100%10);delay_ms(1);SetLed(4, d1/1000%10);delay_ms(1);/*SetLed(3, d0%10);delay_ms(1);PortationDisplay(2, d0/10%10);delay_ms(1);SetLed(1, d0/100%10);delay_ms(1);SetLed(0, d0/1000%10);delay_ms(1);*/}
}

4.主程序控制模块

各个外设以及功能函数已经完成封装，在主程序来完成对蜂鸣器、超声波模块、八段数码管各个外设的初始化以及控制，同时主程序需要检测串口指令的收发，来驱动整个倒车检测装置的运行。关键代码如下：

int main( void )
{u8 t;    u8 len;u8 flag;Stm32_Clock_Init(6); //系统时钟设置delay_init(72);        //延时初始化 uart_init(72,9600);     //串口初始化为9600LED_Init();               //初始化与LED连接的硬件接口LED_SEL = 0;Ultran_Init();       //初始化与超声波连接的硬件接口BEEP_Init();         //初始化与蜂鸣器连接的硬件接口while(1){//delay_ms(2);//delay_ms(2000);//LED0=!LED0;//闪烁LED,提示系统正在运行.//delay_ms(10);   if(USART_RX_STA&0x80){                      u32 num = 0;len=USART_RX_STA&0x3f;//得到此次接收到的数据长度printf("\n Your MSG: \n");for(t=0;t<len;t++){num *= 10;num += USART_RX_BUF[t]-'0';USART1->DR=USART_RX_BUF[t];while((USART1->SR&0X40)==0);//等待发送结束}flag=USART_RX_BUF[0]-'0';switch(flag){case 67 :Ultrasonic_on();printf("\n do Ultrasonic now\n");break;default :printf("\n command error \n");USART_RX_STA=0;break;}printf("\n\n");//插入换行//USART_RX_STA=0;}}
}

四、效果展示

1.装置非工作状态

2.串口发送start指令启动装置

3.倒车检测装置正常运行，当前距离为36cm

4.检测到障碍物，当前距离为3.5厘米，蜂鸣器报警

5.距离小于10cm,串口打印WARNING！！！，进行报警，同时蜂鸣器进行报警