HC-SR04超声波测距模块的原理介绍与代码实现

文章目录

1、超声波模块介绍
- 1）产品特点
- 2）基本工作原理
- 3）实物图
- 4）电气参数
2、超声波模块原理
- 1）超声波时序图
- 2）实现思路
3、参考代码
- 1）stm8基于TIM1的ch1输入捕获实现
- 2）51实现测距并使用数码管显示（淘宝提供）

1、超声波模块介绍

超声波模块一般使用的都是HC-SR04来进行测距

1）产品特点

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。

2）基本工作原理

(1)采用 IO 口 TRIG 触发测距，给最少 10us 的高电平信呈。
(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;

3）实物图

如右图接线，

Vcc：+5V电源供电
Trig：输入触发信号（可以触发测距）
Echo：传出信号回响（可以传回时间差）
Gnd：接地

4）电气参数

2、超声波模块原理

1）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。
注：
1 、此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的 GND 端先连接，否则会影响模块的正常工作。
2 、测距时，被测物体的面积不少于 0.5 平方米且平面尽量要求平整，否则影响测量的结果

2）实现思路

1.直接给trig高电平，然后读取ECHO引脚是否为高电平，若为高电平，则开启定时器，然后继续检测等待其为低电平的时候，获取计数器值，然后进行计算
2.开启外部中断，先将ECHO配置上升沿中断，当中断来临的时候，在中断函数里面开启定时器，再将其配置为下降沿中断，等待下降沿中断来临的时候，获取计数器值。

其实上面的两种方法，其思路都是通过计算定时器的counter值，来计算距离

3.定时器一路PWM控制触发以及触发周期，超声波返回信号高电平时间用定时器通道捕捉功能获取

定时器输入捕获的使用方法可以参考一下我其他的文章：TIM定时器使用介绍

3、参考代码

1）stm8基于TIM1的ch1输入捕获实现

// 关于超声波测距的宏定义
#define HCSR04_TRIG PC_ODR_ODR0  //PC0为TRIG，输出10us的高电平
#define HCSR04_ECHO PC_IDR_IDR1  //PC1为ECHO，输入一个脉冲信号
#define SYS_CLOCK   16000000     //定义系统当前fmaster频率值15797600UL。//获取距离的函数
float Hcsr04_getdistance(void)
{u16 B_num = 0;  u32 Time = 0;float Distance = 0;HCSR04_TRIG = 0;
//   printf("准备开始测试...\n");//   TIM1_CCR1H=0x00;//清除捕获/比较寄存器1高8位//   TIM1_CCR1L=0x00;//清除捕获/比较寄存器1低8位TIM1_SR1&=0xF9;//清除CC1IF标志位与CC2IF标志位TIM1_SR2&=0xF9;//清除CC1OF标志位与CC2OF标志位TIM1_CCER1|=0x11;//捕获功能使能//   printf("捕获功能开启，等待ECHO信号...\n");//TRIG给最少 10us 的高电平信呈    HCSR04_TRIG = 1;delay_10us(5);HCSR04_TRIG = 0;//   overflow_count = 0;//    printf("TRIG已发送 10uS 以上脉冲触发信号...\n");while((TIM1_SR1&0x02)==0);//等待捕获比较1标志位CC1IF变为“1”//   TIM1_CR1|=0x01;        //使能TIM1计数器功能“CEN=1”//   printf("上升沿信号捕获...\n");while((TIM1_SR1&0x04)==0);//等待捕获比较2标志位CC2IF变为“1”//   printf("下降沿信号捕获...\n");//取出数据CC2IF位就自动清0B_num=(u16)TIM1_CCR2H<<8;//取回捕获/比较寄存器2高8位B_num|=TIM1_CCR2L;//取回捕获/比较寄存器2低8位并与高8位拼合//   printf("B_num:%d\n",B_num);// TIM1_SR1&=0xFB;//清除CC2IF标志位Time = B_num*1000000/SYS_CLOCK; //脉冲长度单位为us//   printf("Time:%d\n",Time);Distance = B_num/16.05*0.017;//    printf("Distance:%f cm\n",Distance);TIM1_CCER1&=0xEE;//捕获功能禁止return Distance;
}/****************************************************************/
//TIM1功能初始化函数TIM1_init()，无形参,无返回值
/****************************************************************/
void TIM1_init(void)
{//1.CC1通道被配置为输入，IC1映射在TI1FP1上“CC1S[1:0]=01”// 0x000000001 : CC1通道被配置为输入，IC1映射在TI1FP1上；TIM1_CCMR1|=0x01;//2.配置TI1FP1信号边沿极性为上升沿“CC1P=0”// 0x11111101 : 捕获发生在TI1F或TI2F的上升沿；TIM1_CCER1&=0xFD;//3.CC2通道被配置为输入，IC2映射在TI1FP2上“CC2S[1:0]=10”// 0x00000010 : CC2通道被配置为输入，IC1映射在TI2FP2上；TIM1_CCMR2|=0x02;//4.配置TI1FP2信号边沿极性为下降沿“CC2P=1”// 0x00100000 : 1：捕获发生在TI1F或TI2F的下降沿TIM1_CCER1|=0x20; //5.配置触发输入信号为TI1FP1，“TS[2:0]=101”// 0x01010000 : 选择用于选择同步计数器的触发输入,滤波后的定时器输入1(TI1FP1)TIM1_SMCR|=0x50;//6.配置触发模式为复位触发，“SMS[2:0]=100”// 0x00000100 : 复位模式 – 在选中的触发输入(TRGI)的上升沿时重新初始化计数器，并且产生一个更新寄存器的信号TIM1_SMCR|=0x04;//7.使能TIM1计数器功能“CEN=1”TIM1_CR1|=0x01;//没有设置在外部触发寄存器(TIM1_ETR)中的采样频率
}//初始化
void HCSR04_Init(void)
{//PC1为ECHO，PC0为TRIG//设置TRIG引脚为PC0，TRIG输出一个10us的高电平触发PC_DDR_DDR0 = 1;  PC_CR1_C10 = 1;   PC_CR2_C20 = 0;   //设置ECHO引脚为PC1，ECHO输入一个脉冲信号，需要用定时器测出持续时间PC_DDR_DDR1 = 0;  //设置为PC1为输入PC_CR1_C11 = 1;   //设置诶上拉输入PC_CR2_C21 = 0;   //带中断/*   PC_DDR_DDR1 = 0;  //设置为PD2为输入PC_CR1_C11 = 1;   //设置诶上拉输入PC_CR2_C21 = 1;   //带中断*/
}

2）51实现测距并使用数码管显示（淘宝提供）

//超声波测距
//晶振=8M
//MCU=STC10F04XE
//P0.0-P0.6共阳数码管引脚
//Trig  = P1^0
//Echo  = P3^2
#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
//***********************************************
sfr  CLK_DIV = 0x97; //为STC单片机定义,系统时钟分频//为STC单片机的IO口设置地址定义
sfr   P0M1   = 0X93;
sfr   P0M0   = 0X94;
sfr   P1M1   = 0X91;
sfr   P1M0   = 0X92;
sfr P2M1   = 0X95;
sfr P2M0   = 0X96;
//***********************************************
sbit Trig  = P1^0; //产生脉冲引脚
sbit Echo  = P3^2; //回波引脚
sbit test  = P1^1; //测试用引脚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;   CLK_DIV=0X03; //系统时钟为1/8晶振（pdf-45页） P0M1 = 0;   //将io口设置为推挽输出P1M1 = 0;P2M1 = 0;P0M0 = 0XFF;P1M0 = 0XFF;P2M0 = 0XFF;i=0;flag=0;test =0;Trig=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0IT0=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//ET1=1;        //打开定时器1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;Trig=1;delay_20us();Trig=0;         //产生一个20us的脉冲，在Trig引脚  while(Echo==0); //等待Echo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1EA=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1EX0=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test = !test;                       //测试灯变化}///       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=ge; P2=0xfd;flag++;break;case 0x01:P0=shi;P2=0xfe;flag++;break;case 0x02:P0=bai;P2=0xfb;flag=0;break;}}
//*****************************************************************
/*
//定时器1中断,用做超声波测距计时
timer1() interrupt 3  // 定时器0中断是1号{
TH1=0;
TL1=0;}
*/
//******************************************************************
//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];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=0;bt<100;bt++);}
/*
void pai_xu(){  uint t;if (distance[0]>distance[1]){t=distance[0];distance[0]=distance[1];distance[1]=t;} /*交换值if(distance[0]>distance[2]){t=distance[2];distance[2]=distance[0];distance[0]=t;} /*交换值if(distance[1]>distance[2]){t=distance[1];distance[1]=distance[2];distance[2]=t;} /*交换值  }
*/