STM8开发实战：HC-SR04超声波测距仪

前言

在经过前期理论的学习，懂得如何使用单片机的各项外设之后，我们便可以想做什么就做什么了，本文以制作一个基于HC-SRO4超声波测距模块的测距仪为例子，演示怎样通过单片机的各项外设来控制各种功能的外围电路，从而实现我们想要的各种功能
本程序已开源，提供了STM8S105C6与STM8S003F3两个版本的代码，开源地址：https://github.com/artless-artist/STM8_UltrasonicRangefinder

准备工作

硬件

HC-SR04超声波测距模块
0.96寸OLED屏幕（集成了SSD1306显示驱动芯片）
STM8S，推荐使用STM8S105C6这样的高级型号，若使用内存较小的型号会遇到开发困难

软件

使用IAR开发

HR-SR04超声波测距模块

工作原理

超声波测距原理
超声波模块会在触发测距后发射8个40khz的方波(这是为了让声波独特，避免与环境中的其他信号混淆)，从声波接触到被测物体时就会被反射回来，被模块接收
那么，从发射声波到接收到反射声波的用时除以2就是声音从模块传播到被测物体所用的时间，再将这个时间乘以声速就是距离了
HC-SR04工作时序
1.在TRIG引脚上给至少10us的高电平信号后触发测距；
2.触发测距后模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；
3.若有信号返回，通过ECHO引脚输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。

STM8控制原理

设计思路
- 从工作时序来看，我们需要让STM8的一个引脚作为TRIG，输出高电平触发测距；另外需要一个ECHO引脚被配置为输入模式，用以测量超声波模块的ECHO引脚返回的高电平持续时间
- 测量ECHO引脚高电平持续时间是整个功能实现的核心，我们很容易想到通过STM8的定时器外设来实现这一点，具体方法如下：

使用基本型定时器

使用任意定时器的计时功能，在返回高电平信号后开始计时，当返回信号变回低电平后结束计时，并计算
由于适用轮询的数据传输方式，将单片机主频设置为16MHz以提高运行速度，而又由于计数值有限，为了扩展测量范围，设定TIM4预分频系数为128，让计数值每8us加一

//使用TIM4进行计时
void TIM4_Init(void)
{
	TIM4_PSCR = 0x07;   // 预分频器128，16MHz/128=125kHz(8us)
	TIM4_ARR = 255;     // 自动重装载值
	TIM4_CNTR = 0;      // 计数器清零
	TIM4_CR1 |= 0x01;   // 使能计数器
}
//详细的宏定义、初始化代码受限篇幅省略，需要完整驱动请到开源地址中查看
float HC_SR04_GetDistance(void)
{
	float time = 0;
	float distance = 0;

	// 发送10us的高电平触发信号
	TRIG = 1;
	Delay_us(15);       // 延时一段时间保证触发测距
	TRIG = 0;

	// 等待回波信号变高
	while(ECHO == 0);
	// 开始计时
	TIM4_CNTR = 0;
	// 等待回波信号变低
	while(ECHO == 1);

	// 获取计时值
	time = TIM4_CNTR * 8;
	distance = time * (0.0331 + 0.00006*temperature) /2;
	//声速加入温度补偿系数后的计算公式，单位为厘米
	return distance;
}

使用高级计时器的输入捕获功能

我们的需求是在对信号的高电平持续时间进行测量，也就是在低电平变为高电平时从零开始计时，而高电平变回低电平时停止计时读数，这显然与我们曾学习过的定时器输入捕获与复位触发功能不谋而合，我们曾用这个功能进行信号占空比的测量

//使用TIM1输入捕获的复位触发模式对echo引脚返回的高电平持续时间进行测量
void TIM1_Init(void)
{
	TIM1_PSCRH = 0x00;
	TIM1_PSCRL = 0x02;
	TIM1_ARRH = 0xFF;
	TIM1_ARRL = 0xFF;

	//利用输入时TIx产生的两路相同信号TIxFP1和TIxFP2，对上边沿与下边沿进行检测
	TIM1_CCMR1 = 0x01;  //CC1S=01 TI1FP1连接到IC1
	TIM1_CCMR2 = 0x02;  //CC2S=10 TI1FP2连接到IC2
	TIM1_CCER1_CC1P = 0;        //检测TI1FP1上升沿
	TIM1_CCER1_CC2P = 1;        //检测TI1FP2下降沿
	TIM1_SMCR = 0x54;   //TS=101(TI1FP1为触发信号), SMS=100(复位触发模式)
	//从TI1的上升沿触发复位，在捕获到TI2的下降沿时
	TIM1_CCER1 |= 0x11;    //使能两个捕获

	TIM1_CR1 = 0x01;    // 使能计数器
}

float HC_SR04_GetDistance(void)
{
	TIM1_SR1 &= 0xF9; //清除CC1IF和CC2IF标志位
	TIM1_CCER1 |= 0x11; //开启捕获功能

	float time = 0;
	float distance = 0;
	u16 pulse_width = 0;

	// 发送高电平触发信号
	TRIG = 1;
	Delay_us(15);
	TRIG = 0;

	while((TIM1_SR1&0x02)==0); //等待捕获比较标志位CC1IF变为1(上升沿)
	while((TIM1_SR1&0x04)==0); //等待捕获比较标志位CC2IF变为1(下降沿)

	//IC1检测到上升沿时复位计时，到IC2检测到下降沿时即高电平脉宽
	pulse_width = (u16)TIM1_CCR2H<<8; //取高电平脉宽的高8位
	pulse_width |= TIM1_CCR2L; //取高电平脉宽的低8位

	time=(float)(pulse_width)*0.1875;//主频=16M，TIM1进行三分频
	distance = time * (0.0331 + 0.00006*temperature) /2;

	return distance;
}

OLED(SSD1306驱动)屏幕

工作原理

为了简化开发，我们直接选用已经集成了显示驱动的OLED屏幕，商家已经提供了驱动库文件，调用其中函数即可进行显示，我们只需要对其进行修改使其适用于我们所用的单片机型号
为了节省引脚，我选用了使用IIC通信的版本，只需要占用两个引脚

STM8控制原理

STM8具体控制原理本文不再阐述，在之前的文章中对IIC通信已有具体介绍
模拟IIC与硬件IIC
尽管在我的博文中使用了硬件IIC，但在实际开发时我使用了GPIO软件模拟IIC的工作时序，一来STM8的硬件IIC代码资料不多不易于开发，二来方便移植到更多没有硬件IIC的平台上
但是，这样就带来一个问题：如果配置了其他中断，中断会打断软件模拟的IIC时序，导致OLED屏幕无法正常显示，这也就是为什么在前文HC-SR04的驱动不使用定时器捕获中断进行更精确的计时；使用硬件IIC并且合理配置中断优先级能够解决这个问题
内存占用问题
本项目直接使用了硬件生产商提供的字库文件，但在诸如STM8S003这类入门级的单片机中存储空间不足，过大的字库会导致烧录失败，为此，我对原本的字库文件进行简化（只能显示6×8的符号与数字），并在头文件中将宏定义SIZE的值修改为6以使用更小（所需要的像素更少）的字体，可在开源地址中下载