STM32定时器输入捕获功能应用——超声波模块

一、工作原理

输入捕获是STM32单片机定时器的一项重要的功能，应用很广泛，常用于测量脉冲宽度，周期等。

超声波模块测距的原理是：单片机给超声波模块（我用到的超声波模块型号是HC-SR04，下面简称HC-SR04）发送一个大于10us的高电平，触发HC-SR04发出8个40kHz的方波，并自动检测是否有信号返回，如果有信号返回，就会通过Echo对单片机输出一个高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

换而言之，单片机的工作就是给HC-SR04的Trig端发送一个一个大于10us的高电平，触发HC-SR04工作，然后利用输入捕获功能计算出HC-SR04的Echo端输入的高电平持续时间就可以测出超声波发出到返回的时间，声音在空气中的传播速度是340m/s，因此利用公式：测试距离=(高电平时间 * 声速)/2，就可以算出超声波模块与前方的物体之间的距离是多少。原理图如下：

 

用一个简图来说明输入捕获测量高电平延续时间的实现原理：

 

 

二、利用CubeMX生成驱动代码

HC-SR04上有4个引脚：VCC（5V）、GND、Trig（控制端）、Echo（接收端），所以需要配置一个GPIO作为控制HC-SR04的引脚，Echo这个引脚在配置定时器的时候就会自动配置好，不需要单独配置。另外还需要配置一个串口作为打印口方便调试。

1、时钟源配置：

 

 

 2、定时器

 

 

 

 

 3、控制引脚的配置

 4、开启串口

 

 

 配置完成后生成代码。

三、修改代码

1、写一个us级别的延时：

/********************************************
*函数名称：void delay_us(__IO uint32_t delay)
*函数形参：__IO uint32_t delay--延时时间
*函数返回值：无
*函数功能：微秒级别延时
*********************************************/
void delay_us(__IO uint32_t delay)
{
    int last, curr, val;
    int temp;

    while (delay != 0)
    {
        temp = delay > 900 ? 900 : delay;
        last = SysTick->VAL;
        curr = last - CPU_FREQUENCY_MHZ * temp;
        if (curr >= 0)
        {
            do
            {
                val = SysTick->VAL;
            }
            while ((val < last) && (val >= curr));
        }
        else
        {
            curr += CPU_FREQUENCY_MHZ * 1000; 
            do
            {
                val = SysTick->VAL;
            }
            while ((val <= last) || (val > curr));
        }
        delay -= temp;
    }
}

 

2、重定向

/********************************************
*函数名称：int fputc(int ch, FILE* stream)
*函数功能：重定向
*********************************************/
int fputc(int ch, FILE* stream)
{
    
   HAL_UART_Transmit(&huart1,(uint8_t *)&ch,1,0xffff);
    return ch;
}

3、触发信号

/********************************************
*函数名称：void Trigger_Signal(__IO uint32_t us)
*函数形参：__IO uint32_t us--触发信号保持时间
*函数返回值：无
*函数功能：触发信号
*********************************************/
void Trigger_Signal(__IO uint32_t us)
{
	HAL_GPIO_WritePin(Trigger_GPIO_Port,Trigger_Pin,GPIO_PIN_SET);
	delay_us(us);
	HAL_GPIO_WritePin(Trigger_GPIO_Port,Trigger_Pin,GPIO_PIN_RESET);
	printf("发送触发信号\r\n");
}

4、　输入捕获中断回调函数：

/********************************************
*函数名称：void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
*函数形参：TIM_HandleTypeDef *htim--定时器句柄
*函数返回值：无
*函数功能：捕获到高电平后，计数器清零，配置为低电平捕获，
	当捕获到低电平时，读出CCR的值
*备注：TIM2_CH2_CAPTURE_STA这个是uint8_t数据类型的全局变量，
　　　它的每一位数据可以自定义为某些状态，在这里，第7位为1表示捕获完成，为0表示未完成，
　　　第6位为1表示捕获到上升沿，为0表示未捕获到高电平，0~5bit保留；
　　　TIM2_CH2_ELAPSED_CNT也是一个全局变量，表示从捕获到高电平起，计数器溢出的次数，
　　　TIM2_CH2_CAPTURE_VAL也是一个全局变量，当捕获到下降沿后把CCR2的值读取到这个变量里
*
*********************************************/
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	if((TIM2_CH2_CAPTURE_STA&0x80) != 0x80)//还未完成捕获
	{
		if((TIM2_CH2_CAPTURE_STA&0x40) == 0)　　//此前尚未捕获到上升沿，那么这次捕获到的就是上升沿
		{
			TIM2_CH2_CAPTURE_VAL = 0;　　　　//清零，防止干扰
			TIM2_CH2_ELAPSED_CNT = 0;　　　　//清零，捕获到上升沿后重新计算周期溢出次数
			TIM2_CH2_CAPTURE_STA |= 0x40;　　//捕获到一个上升沿	
			__HAL_TIM_DISABLE(&htim2);　　　　//停止TIM2
			__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2,0);　　//把TIM2的计数器清零
			TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&htim2,TIM_CHANNEL_2);　　//清除原来的设置
			TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim2,TIM_CHANNEL_2,TIM_ICPOLARITY_FALLING);　　//将TIM2的通道2输入捕获设置为下降沿捕获
			__HAL_TIM_ENABLE(&htim2);　　//使能TIM2
			
		}
		else
		{
			TIM2_CH2_CAPTURE_STA |= 0x80;　　//捕获到一个下降沿，代表捕获完成
			TIM2_CH2_CAPTURE_VAL = HAL_TIM_ReadCapturedValue(&htim2,TIM_CHANNEL_2);　　//把此时CCR2的值读到变量TIM2_CH2_CAPTURE_VAL
			TIM_RESET_CAPTUREPOLARITY(&htim2,TIM_CHANNEL_2);　　//清除原来的设置
			TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(&htim2,TIM_CHANNEL_2,TIM_ICPOLARITY_RISING);　　//设置为上升沿捕获
		}
	}
}

5、计数周期溢出中断回调函数：

/********************************************
*函数名称：void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
*函数形参：TIM_HandleTypeDef *htim--定时器句柄
*函数返回值：无
*函数功能：定时器溢出次数计算
*********************************************/
void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
	TIM2_CH2_ELAPSED_CNT++;    //每次溢出，该变量增加1
}

6、计算高电平的持续时间：

/********************************************
*函数名称：uint32_t CalculatePulseWide(void)
*函数形参：无
*函数返回值：无
*函数功能：计算出高电平的宽度
*********************************************/
uint32_t CalculatePulseWide(void)
{
	uint32_t PulseWide = 0;
	if((TIM2_CH2_CAPTURE_STA&0x80) == 0x80)
	{
		PulseWide = 0xffff*TIM2_CH2_ELAPSED_CNT+TIM2_CH2_CAPTURE_VAL;
		TIM2_CH2_CAPTURE_STA = 0; 　　//计算完将该变量清零，其实即使不清零应该也没关系，每次捕获到上升沿也会清零
		TIM2_CH2_ELAPSED_CNT = 0;　　 //计算完将该变量清零，其实即使不清零应该也没关系，每次捕获到上升沿也会清零

　　　　　} 
　　　　　return PulseWide; 
}

7、计算距离：

/********************************************
*函数名称：void GetDistance(void)
*函数形参：无
*函数返回值：无
*函数功能：获取距离
*********************************************/
void GetDistance(void)
{
	float temp = 0;
	float distance = 0;
	Trigger_Signal(20);　　//发送触发信号，因为要大于10us，这里就设置为20us
	while(!temp)　　　　　　//等待计算出高电平的时间，如果temp为0，说明还未计算出来，继续等待
	{
		temp = CalculatePulseWide();		
	}
	printf("temp:%f\r\n",temp);　　
	distance = (float)(temp*0.034)/2;　　//计算出距离
	printf("distant:%.2f CM\r\n",distance);

	HAL_Delay(100);　　　　//手册中说明两次测量的时间间距最好大于60ms,避免引起干扰，这里取100ms

}

　8、主函数　

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 */
	printf("********** HC-RS04 *********\r\n");
	HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2,TIM_CHANNEL_2);　　//开启输入捕获中断
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    /* USER CODE END WHILE */
		GetDistance();　　//计算出距离
    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

　　

　完成代码修改后，烧录到单片机上，进行了测量，发现测得的距离跟实际距离之间的误差不大，当实际距离等于1米的时候，误差大概在1~5cm左右波动。