STM32连接HC-SR04超声波测距（结合STM32CubeMX和HAL库函数）

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实验说明
STM32CubeMX新建工程
代码解析
- gpio.c文件
- tim.c文件
增加代码
可以改进的方面

实验说明

实验平台：STM32H743 (野火挑战者)

实验内容：使用GPIO激活HC-SR04超声波模块 ,接收信号。

使用IO口：PC10连接TRIG，PC11连接ECHO，GND接GND，VCC接5V。

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。

STM32H743 控制器有 2 个高级控制定时器、10 个通用定时器和 2 个基本定时器，还有 2 个看门狗定时器。因为设计功能不复杂，这次主要使用的就是TIM6基本定时器，从表可以看出TIM6的时钟来源是APB1。

基本上定时器 TIM6 是一个 16 位向上递增的定时器，当我在自动重载寄存器(TIMx_ARR) 添加一个计数值后并使能 TIMx，计数寄存器 (TIMx_CNT) 就会从 0 开始递增，当TIMx_CNT 的数值与 TIMx_ARR 值相同时就会生成中断事件并把 TIMx_CNT 寄存器清 0。

原理十分简单，比如我往箱子里丢小球，丢一个小球为1s，如果我想计时10s，其实就是丢10次小球，那TIMx_CNT开始从0计数，当计数值达到10，就产生中断并清0，重新开始计数。这个10就是后面要设置的Period。

STM32CubeMX新建工程

1.设置定时器时钟

首先系统的时钟设置为400MHZ，具体如何设置可以参考STM32 RCC-使用HSE/HSI配置时钟（以STM32MUX时钟树作为图例）。最后可以看到APB1 Timer的时钟是200MHZ，不是上面那个100MHZ，那是搭载在APB1的其他外设时钟。

2.设置定时器

激活定时器TIM6，设置prescaler为19999，Counter Period为4999，auto-reload为Enable。

Prescaler：定时器预分频器设置，时钟源经该预分频器才是定时器时钟，它设定 TIMx_PSC寄存器的值。该寄存器位16位寄存器，可设置范围为 0 至 65535，实现 1 至 65536 分频。
CounterMode：定时器计数方式，可是在为向上计数、向下计数以及三种中心对齐模式。基本定时器只能是向上计数，即 TIMx_CNT 只能从 0 开始递增，并且无需初始化。
Period：定时器周期，实际就是设定自动重载寄存器的值。该寄存器位16位寄存器，可设置范围为 0 至 65535。

定时计算：
以上两个数字最终可以得出0.5s进一次中断，那是如何计算呢？

前面设置了定时器TIM6的时钟频率TIMxCLK为200MHZ，那是时钟来源，真正的定时器频率需要结合预分频进行计算，公式TIMxCLK/(TIM_Prescaler+1)=200M/（19999+1）=10000HZ。频率为10000HZ，时间就是0.1ms，也就是定时器计数增加1，时间为0.1ms。如果想要增加定时精度，就是需要调整预分频Prescaler。

现在知道了一次计数为0.1ms，我们需要定时0.5s，也就是500ms，可以反推出需要计数5000次。因为定时器是从0开始计算的，所以最终计数值Counter Period就是5000-1=4999。

点击NVIC中断管理，勾选定时器更新中断，产生溢出时会跳转到中断服务函数。

3.设置GPIO

GPIO口设置对应ECHO和TRIG引脚，一个触发信号输入，一个是回响信号输出。那就是设置两个GPIO口，一个输出触发超声波模块，一个输入接收信号。

选择自己喜欢的两个GPIO口，在下图中点击对应GPIO，选择Output Push Pull和Input mod模式。我选择的是PC10和PC11。

4.生成工程

设置好参数，我们生成keil工程。

代码解析

生成的工程含有三个文件，分别是GPIO配置、定时器配置、中断相关文件。

gpio.c文件

void MX_GPIO_Init(void)
{

  GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

  /* GPIO Ports Clock Enable */
  __HAL_RCC_GPIOH_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOA_CLK_ENABLE();
  __HAL_RCC_GPIOC_CLK_ENABLE();

  /*Configure GPIO pin Output Level */
  HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = TRIG_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
  GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
  HAL_GPIO_Init(TRIG_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

  /*Configure GPIO pin : PtPin */
  GPIO_InitStruct.Pin = ECHO_Pin;
  GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
  GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_PULLDOWN;
  HAL_GPIO_Init(ECHO_GPIO_Port, &GPIO_InitStruct);

}

这个文件主要是配置GPIO口，之前在STM32CubeMX设置的参数这里已经自动生成了，而且pin引脚也定义成了我们输入的标签TRIG_Pin和ECHO_Pin。

tim.c文件

void MX_TIM6_Init(void)
{
  TIM_MasterConfigTypeDef sMasterConfig = {0};

  htim6.Instance = TIM6;
  htim6.Init.Prescaler = 19999;
  htim6.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim6.Init.Period = 4999;
  htim6.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_ENABLE;
  if (HAL_TIM_Base_Init(&htim6) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
  sMasterConfig.MasterOutputTrigger = TIM_TRGO_RESET;
  sMasterConfig.MasterSlaveMode = TIM_MASTERSLAVEMODE_DISABLE;
  if (HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim6, &sMasterConfig) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

这是定时器初始化函数，比较重要的是设置预分频和计数值，19999和4999值。

void HAL_TIM_Base_MspDeInit(TIM_HandleTypeDef* tim_baseHandle)
{

  if(tim_baseHandle->Instance==TIM6)
  {
  /* USER CODE BEGIN TIM6_MspDeInit 0 */

  /* USER CODE END TIM6_MspDeInit 0 */
    /* Peripheral clock disable */
    __HAL_RCC_TIM6_CLK_DISABLE();

    /* TIM6 interrupt Deinit */
    HAL_NVIC_DisableIRQ(TIM6_DAC_IRQn);
  /* USER CODE BEGIN TIM6_MspDeInit 1 */

  /* USER CODE END TIM6_MspDeInit 1 */
  }
}

这个是定时器中断回调函数，相当于定时中断就是进入这里执行代码。代码写在 /* USER CODE BEGIN TIM6_MspDeInit 0 */之间。

增加代码

前面都是CubeMX之间生成的工程文件，现在需要我们自己添加代码启动超声波模块。在tim.c文件添加两个启动和停止函数。

void start(void)
{
    __HAL_TIM_SetCounter(&TIM_Base,0);   //清0计数
    HAL_TIM_Base_Start_IT(&TIM_Base);   // 开启定时器更新中断       
}

unsigned int get_num(void)
{  
   unsigned int  num,dta;
   HAL_TIM_Base_Stop_IT (&TIM_Base);       //关闭定时器更新中断
   num = __HAL_TIM_GetCounter(&TIM_Base);  //获得计数值
   dta = num*0.1*34/2;                     //cm为单位
    return dta;
}

start经常用了HAL两个库函数，第一个函数作用是把TIMx_CNT 寄存器的计数值清0，第二个函数就是启动定时器更新中断。

通过超声波时序图可以知道，只要ECHO引脚从0到1，我们开始定时，然后从1到0，停止定时。计算中间这段时间，然后乘以声音速度除于2（来回时间），就可以得知距离。

设置的计数值是4999，也就是0-4999计数5000次。一次0.1ms，总共计时0.5s进入中断，0.5s*340m/s/2等于85m。因为项目实验不需要测这么远，所以虽然我开了中断，但是这次实验并没有用到中断，而是在中断前就停止定时器。

我们通过__HAL_TIM_GetCounter函数得到TIMx_CNT寄存器的当前值，然后通过公式就可以算出距离。因为在循环测量距离当中并没有对定时器初始化进行循环，所以CNT的值并不会自动归0，这就是为什么start函数里面有清0操作__HAL_TIM_SetCounter(&TIM_Base,0)的原因。

建立echo.c文件存放超声波相关函数，如下。

//启动超声波模块
void  StartModule(void) 	//T1中断用来扫描数码管和计800MS启动模块
{
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port,TRIG_Pin,1); 
    HAL_Delay(10);          //10ms延时
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port,TRIG_Pin,0);  
}



//获得ECHO引脚状态  
int GetStatus(void)
{       
    return HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_GPIO_Port,ECHO_Pin); 
    
}

通过超声波模块说明书，得知TRIG触发信号需要10us以上的高电平触发信号，这个可以通过延时和引脚写入函数完成，HAL_GPIO_WritePin()是HAL库的引脚写入函数，照着说明直接用就好。HAL_Delay()是从野火例程搬运的延时函数，用普通延时函数也可以的，只要保证10us以上就行。

读取ECHO状态使用的是HAL_GPIO_ReadPin（）函数，这个也是HAL自带的读取引脚状态的函数，返回值为0或1。

	while(1)
	{	
        
        StartModule();               //启动超声波模块
        printf("超声波模块已启动\r\n");
        while(!GetStatus());        //当ECHO返回0，等待          
        start();
        while(GetStatus());		  //当ECHO为1计数并等待       
        dta = get_num();
        printf("测试距离为：%d cm\r\n",dta);	
        HAL_Delay(1000);		      //1000MS
	}

当ECHO为0时，说明还没有信号返回，就while循环等待。如果ECHO变为1，会跳出循环，启动定时器，然后需要等待。如果ECHO从1到0，就会跳出循环，然后结束定时器计算距离。最后printf输出串口助手。

可以改进的方面

如果需要测量的距离大于85m怎么办，那就在中断函数里面计数，一次中断85m，两次中断170m，然后加上通过CNT算的距离，就是完整的距离。

一次计数是0.1ms，对应的距离是3.4cm，所以距离的分度值是3.4cm，测出的距离一定是它的倍数。如果想要增加精度，就需要把一次计数的时间0.1ms调小。通过公式TIMxCLK/(TIM_Prescaler+1)得知，我们把Prescaler调高，就可以增大定时器时钟频率，降低时钟周期。如果Prescaler取最小0，那定时器频率为200MHZ，一次计数的时间为1/200M=0.5*10负八次方s，对应的距离是1.7微米。

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