红外超声波雷达测距

一 HC-SR04 介绍
1HC-SR04 简介及工作原理

HC-SR04 是一种常用的超声波传感器，用于测量距离。它由超声波发射器和接收器组成，通过发射超声波脉冲并计算返回的时间来确定目标物体与传感器的距离。其工作原理类似于蝙蝠发出超声波并依靠回声来定位。
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。
二用 HAL 库实现 HC-SR04 测量距离

使用的芯片为 STM32F103C8T6。
1.STM32CubeMX 配置

对 RCC 进行如下的配置

对 SYS 进行设置

对时钟树的设置

对 GPIO 的设置

对 UART1 进行设置

7 定时器 2

8 开启定时器中断

2. 对 keil 进行设置

创建 SR04.c 和 SR04.h 文件

创建 led.c 和 led.h 文件
3. 编写代码

main.

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  *

© Copyright (c) 2022 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.

  *
  * This software component is licensed by ST under BSD 3-Clause license,
  * the “License”; You may not use this file except in compliance with the
  * License. You may obtain a copy of the License at:
  *                        opensource.org/licenses/BSD-3-Clause
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ——————————————————————*/
#include “main.h”
#include “tim.h”
#include “usart.h”
#include “gpio.h”

/* Private includes ———————————————————-*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include “SR04.h”
#include “led.h”
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef ———————————————————–*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ————————————————————*/
/* USER CODE BEGIN PD */
/* USER CODE END PD */

/* Private macro ————————————————————-*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ———————————————————*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes ———————————————–*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ———————————————————*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{
  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration——————————————————–*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM2_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */

  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
      
      float distance = SR04_GetData();
      //HAL_Delay(1500);
      
    /* USER CODE END WHILE */

      // 根据距离计算闪烁频率
      uint32_t flashRate = CalculateFlashRate(distance);
        
      LED_Flash(flashRate); // 闪烁 LED
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.HSEPredivValue = RCC_HSE_PREDIV_DIV1;
  RCC_OscInitStruct.HSIState = RCC_HSI_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLMUL = RCC_PLL_MUL9;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf(“Wrong parameters value: file %s on line %drn”, file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

SR04.c

#include “SR04.h”
#include “stm32f1xx_hal.h”

float distant;      // 测量距离
uint32_t measure_Buf[3] = {0};   // 存放定时器计数值的数组
uint8_t  measure_Cnt = 0;    // 状态标志位
uint32_t high_time;   // 超声波模块返回的高电平时间

//=============================================== 读取距离
float SR04_GetData(void)
{
    switch (measure_Cnt)
    {
        case 0:
            TRIG_H;
            delay_us(30);
            TRIG_L;
            measure_Cnt++;
            __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim2, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING);
            HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 启动输入捕获
            break;
        case 3:
            high_time = measure_Buf[1] – measure_Buf[0]; // 高电平时间
            printf(“rn—- 高电平时间 -%d-us—-rn”, high_time);
            float distance = (high_time * 0.034f) / 2; // 单位 cm
            printf(“rn- 检测距离为 -%.2f-cm-rn”, distance);
            measure_Cnt = 0; // 清空标志位
            TIM2->CNT = 0; // 清空计时器计数
            // 返回计算得到的距离值
            return distance;
    }
    return 0; // 如果没有测量完成，返回 0 或合适的默认值
}

//===============================================us 延时函数
    void delay_us(uint32_t us)// 主频 72M
{
    uint32_t delay = (HAL_RCC_GetHCLKFreq() / 4000000 * us);
    while (delay–)
    {
        ;
    }
}

//=============================================== 中断回调函数
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)//
{
    
    if(TIM2 == htim->Instance)// 判断触发的中断的定时器为 TIM2
    {
        switch(measure_Cnt){
            case 1:
                measure_Buf[0] = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim2,TIM_CHANNEL_1);// 获取当前的捕获值.
                __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim2,TIM_CHANNEL_1,TIM_ICPOLARITY_FALLING);  // 设置为下降沿捕获
                measure_Cnt++;                                            
                break;              
            case 2:
                measure_Buf[1] = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim2,TIM_CHANNEL_1);// 获取当前的捕获值.
                HAL_TIM_IC_Stop_IT(&htim2,TIM_CHANNEL_1); // 停止捕获   或者: __HAL_TIM_DISABLE(&htim5);
                measure_Cnt++;  
                         
        }
    
    }
    
}

SR04.h

#ifndef __SR04_H
#define __SR04_H
#include “main.h”
#include “tim.h”
#include “stdio.h”

#define TRIG_H  HAL_GPIO_WritePin(Trig_GPIO_Port,Trig_Pin,GPIO_PIN_SET)
#define TRIG_L  HAL_GPIO_WritePin(Trig_GPIO_Port,Trig_Pin,GPIO_PIN_RESET)

void delay_us(uint32_t us);
float SR04_GetData(void);

#endif

led.c

#include “led.h”

#define LED_GPIO_Port       GPIOB
#define LED_Pin             GPIO_PIN_9

void LED_Init(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};
    // 使能 GPIOB 时钟
    __HAL_RCC_GPIOB_CLK_ENABLE();
    
    // 配置 GPIO Pin 为推挽输出，无上拉电阻，低频率
    GPIO_InitStruct.Pin = LED_Pin;
    GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
    GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
    GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_LOW;
    HAL_GPIO_Init(LED_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);
}

void LED_Flash(uint32_t period) {
    // 切换 LED 状态
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
    // 延时
    HAL_Delay(period);
    // 再次切换 LED 状态，完成一次闪烁
    HAL_GPIO_TogglePin(LED_GPIO_Port, LED_Pin);
}

uint32_t CalculateFlashRate(float distance) {
    uint32_t flashRate;
    if (distance         flashRate = 100; // 距离小于 10 厘米时，快速闪烁
    } else if (distance         flashRate = 500; // 距离在 10-50 厘米之间时，中速闪烁
    } else {
        flashRate = 1000; // 距离大于 50 厘米时，慢速闪烁
    }
    return flashRate;
}

led.h

#ifndef __LED_H__
#define __LED_H__

#include “stm32f1xx_hal.h”

void LED_Init(void);
void LED_Flash(uint32_t period);
uint32_t CalculateFlashRate(float distance);

#endif // __LED_H__

三. 效果

随着测量到的障碍物的远近，LED 会以不同的频率进行闪烁
在这里插入图片描述
视频演示

当前智能汽车上一般配置有 12 路超声波雷达，这些专用超声波雷达内置了 MCU，直接输出数字化的测距结果，一般硬件接口采用串口 RS485，通信协议采用 modbus。请思考：1）RS485 与 RS232（UART）有什么不同？2）Modbus 协议是什么？3）如果让你设计一款 12 路车载超声波雷达，采用 stm32F103+HC-SR04 超声波模块，对外提供 RS485 和 Modbus 协议，你的设计方案是什么？

1）RS485 与 RS232（UART）的不同

RS485 与 RS232（UART）在多个方面存在显著的不同，主要体现在以下几个方面：

• 电气特性：
  • RS232 是单点通信协议，使用一对传输线（TX、RX）进行双向通信，信号电平通常为负电平表示逻辑 1，正电平表示逻辑 0。
  • RS485 是差分通信协议，使用两对传输线（A、B）进行双向通信，通过差分信号传输能更好地抵抗线路干扰和噪声。
• 数据传输距离和速率：
  • RS232 通常适用于较短距离的通信，通信距离最多几十米，最高数据传输速率通常为 115.2 kbps。
  • RS485 适用于长距离通信，通信距离可以达到几千米，传输速率可以达到 10 Mbps，具体取决于标准和设备。
• 网络拓扑结构：
  • RS232 通常用于点对点连接，即一对一的通信连接。
  • RS485 支持多点通信，可以使用总线拓扑结构，连接多个节点。
• 传输方式：
  • RS232 使用全双工通信方式，可以同时发送和接收数据。
  • RS485 可以使用半双工或全双工通信方式，根据具体实现可以分时发送和接收数据。

2）Modbus 协议是什么？

Modbus 协议是一种由 Modicon（现今的施耐德电气公司）于 1979 年开发的工业通信协议。它主要用于连接自动化控制领域中的可编程逻辑控制器（PLC）。Modbus 协议已成为工业控制网络中最常用的标准之一，具有标准化、简单性和灵活性等特点。

Modbus 协议有多种变体，包括 Modbus RTU、Modbus ASCII 和 Modbus TCP。其中，Modbus RTU 采用二进制方式传输数据，被广泛应用于串行通信环境下的设备连接，而 Modbus TCP 则基于 TCP/IP 协议栈，支持更高速的数据传输和更灵活的网络拓扑。

3）设计方案：12 路车载超声波雷达

基于 stm32F103+HC-SR04 超声波模块，设计一款提供 RS485 和 Modbus 协议的 12 路车载超声波雷达系统，可以考虑以下方案：

1. 硬件设计：
   • 选择 stm32F103 作为主控制器，利用其丰富的外设和强大的处理能力。
   • 使用 HC-SR04 超声波模块作为测距传感器，每个模块连接到 stm32F103 的一个 GPIO 口，共需要 12 个 GPIO 口用于控制超声波的发射和接收。
   • 设计 RS485 接口电路，选择合适的 RS485 收发器芯片（如 MAX485），将 stm32F103 的 UART 输出转换为 RS485 差分信号。
2. 软件设计：
   • 编写 stm32F103 的固件程序，控制 HC-SR04 超声波模块进行测距，并将测距结果存储或处理。
   • 实现 Modbus 协议栈，包括 Modbus RTU 或 Modbus TCP（取决于实际应用需求），用于与上位机或其他设备进行通信。
   • 编写 RS485 通信的驱动程序，确保 stm32F103 能够通过 RS485 接口发送和接收 Modbus 数据帧。
3. 系统集成与测试：
   • 将所有硬件组件集成到车载系统中，并进行初步的功能测试。
   • 编写测试脚本，模拟各种通信场景，验证 Modbus 协议和 RS485 接口的可靠性和稳定性。
   • 进行实际道路测试，验证超声波雷达的测距精度和通信性能。

通过上述设计方案，可以实现一款基于 stm32F103+HC-SR04 超声波模块的 12 路车载超声波雷达系统，该系统具备 RS485 和 Modbus 协议通信能力，适用于智能汽车的自动泊车辅助、障碍物检测以及距离测量等功能。

参考：

STM32F103 HC-SR04 超声波测距

https://www.cnblogs.com/soliang/p/17870635.html

STM32F103 HC-SR04 超声波测距_stm32f103 超声波测距程序 -CSDN 博客

自动驾驶超声波技术分享_超声波雷达 接口 -CSDN 博客

自动驾驶超声波技术分享

弃坑超声雷达，特斯拉官宣 100% 纯视觉自动驾驶，看路全靠 8 颗摄像头 -36 氪

弃坑超声雷达，特斯拉官宣 100% 纯视觉自动驾驶，看路全靠 8 颗摄像头

https://www.taobao.com/list/item/wap/536820753239.htm

八路串口超声波障碍物检测（AGV 小车使用）

基于 STM32 的 RS485 总线多路超声波测距系统

基于 RS-485 总线的多路超声波传感器测距系统设计 - 宁波市创意产业特色资源库