基于STM32的超声波传感器的设计过程是怎样的

超声波传感器的原理是什么？
基于STM32的超声波传感器的设计过程是怎样的？

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李娟

2022-1-24 14:38:44

     上学期写的嵌入式系统课程实验报告中超声波传感器设计部分，在此分享一下~
1. 实验原理
      超声波传感器采用的是HC-SR04，具有VCC、GND、Trig、Echo四个引脚，其使用方法为：将Trig 设置为高电平并保持至少10us，传感器将发出 8 个脉冲的声波。对于声波产生回声所需的整个时间内， Echo 为高电平。测量该高电平时间即可知经过的时间，则可计算障碍物的距离。
      测量Echo 为高电平的时间是利用STM32的通用定时器进行输入捕获，测量得到的高电平时间通过公式：距离 =  Thigh *340/2 (m) ，其中Thigh 单位为秒(s), 340米/秒(m/s)为声速。
2. 设计分析
      由STM32F4xx数据手册可知，所采用的板子有TM2-TM5四个通用定时器，该设计中采用TIM3定时器（16位）。它具有输入捕获模式、输出比较模式、单脉冲模式等多种功能模式，其中，输入捕获模式可以设置捕获上升沿或下降沿对输入信号进行捕获，发生捕获事件时，当前计数值可被获得，如果已使能中断则可触发中断。本设计采用输入捕获模式对Echo信号进行捕获与计时。
      根据HC-SR04数据手册得知，该超声波传感器射程为2cm-4m，代入距离公式中可得Thigh的范围大致为0.0235~ 0.0002857s，即1/Thigh的范围在42.5-8500Hz之间，故选择计数器时钟1MHz即可满足要求。
3. 设计过程
1. 用 STM32CubeMX配置对应引脚生成项目代码。
1）配置引脚
在左端设置TIM3为内部时钟输入，并使能通道1，可以看到右边PA6变为绿色，在电路图中寻找PA6对应的外部引脚编号为D12，该引脚将连接超声波传感器的Echo引脚，为方便器件连接，选择D12相邻的外部引脚D11作为输出与Trig连接，故配置D11相应的引脚PA7为GPIO输出。引脚配置图与电路图见下方所示。

图1 引脚配置图

图2 引脚对应电路图

2）配置计时器TIM3参数
   板子没有焊外部晶振，故时钟源选用HIS，定时器时钟频率为16MHz。如下图所示。

图3 时钟配置图
      定时器TIM3参数配置如下图所示，预分频系数位15，即TIM3定时器最后频率为16 MHz/(15+1)=1MHz；最大计数值为0xffff(65535)，并在NVIC中开启中断。

图4 TIM3参数配置图

3）生成项目代码
2. 用Keil打开生成的项目代码，增加处理逻辑代码
1）首先定义捕获次数capture_cnt，捕获计数值capture_value1,capture_value2，及高电平时间hightime与距离distance。

2）查看HAL库中关于TIM的函数，在主函数的while 中添加以下代码。根据捕获次数进行不同操作。当捕获次数为0时，使能TIM3中断模式的输入捕获，并设置其触发捕获方式为上升沿触发；当发送捕获时，进入捕获中断函数（其中中断函数为自动生成的，里面调用了触发回调函数，故可直接在回调函数中处理），在捕获回调函数中获取当前计数值赋给capture_value1，再更改捕获方式为下降沿触发；当再次发生捕获时，将当前计数值赋给capture_value2，然后停止输入捕获。在主函数中，根据capture_value1和capture_value2直接的差值即可得到时间，再代入距离公式便求得距离。