超声波测距原理
利用HC-SR04超声波测距模块可以实现比较精确的直线测距，其测距原理图如下：



HC-SR04的一端发出超声波，接触到反射物后反射，被另一个端口接收到，所以只要知道发射和接收的时间差，就可以根据声波传播的速率算出HC-SR04和反射物直接的距离。
所以实现超声波测距就需要俩个条件：
发射和接收的时间差
超声波传输的速率
HC-SR04工作原理
HC-SR04模块的电气参数如示：



HC-SR04模块的实物图如示：



有四个引脚：
Vcc：+5V电源供电
Trig：输入触发信号（可以触发测距）
Echo：传出信号回响（可以传回时间差）
Gnd：接地

用Trig和Echo引脚实现测距的流程：
1.通过Trig输出一段至少10us的高电平（脉冲），触发一次测距，超声波在传输的过程中Echo一直输出高电平。
2.在Trig脉冲输出后，立即检测Echo引脚的电平，测出Echo高电平持续的时间t，t就是超声波在所测距离一个来回所需时间。

测距时序图如示：



STM32实现驱动
利用STM32驱动HC-SR04需要做好几个关键点：
引脚的配置
时序的控制
时间差的测量

下面来分开实现几个关键点

1.引脚的配置
HC-SR04四个引脚，Vcc和Gnd直接接在开发板的电源上即可，主要是Trig和Echo引脚的配置，我选择了PB1连接Trig引脚、PB2连接Echo引脚。
因为要控制Trig输出电平，所以PB1引脚模式是推挽输出GPIO_Mode_Out_PP
Echo要检测高电平持续的时间，所以PB2引脚模式是浮空输入GPIO_Mode_IN_FLOATING
相关的配置代码如下：

1. void SR04_GPIO_Init( void )
   
2. {
   
3.         GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct;
   
4.         RCC_APB2PeriphClockCmd( Trig_Clock  |Echo_Clock , ENABLE );
   
5.        
   
6.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
   
7.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Trig_PIN;
   
8.         GPIO_InitStruct.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
   
9.         GPIO_Init(Trig_PORT, &GPIO_InitStruct);
   
10.        
    
11.         GPIO_InitStruct.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    
12.         GPIO_InitStruct.GPIO_Pin = Echo_PIN;
    
13.         GPIO_Init(Echo_PORT, &GPIO_InitStruct);
    
14. }
    

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2.时序控制
HC-SR04的时序是：先来一段10us的Trig高电平，接着接收一段Echo的高电平，伪代码如下：

1. #define Trig_H  GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)
   
2. #define Trig_L  GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_1)
   
3. 
   
4. /* Trig给一个至少10us的高电平，超声波进行一次测距 */
   
5.         Trig_H;
   
6.         Delay_us( 10 );
   
7.         Trig_L;
   
8. /* 等待Echo高电平 */
   

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3.时间差测量
这个是最重要的一步，要测量Echo高电平持续的时间，因为光传播的速率是340m/s，而测距的范围大多是cm级别，所以相应Echo高电平持续的时间也就是us级别的。
所以，测量时间差的条件就比较苛刻，我是利用SysTick（系统计数器）的原理实现计时的。SysTick计数器原理是对通过SysTick_Config()函数配置每俩次中断之间的节拍数，也就是俩次中断之间的机器周期，我大概算出了，测出0.1cm距离的Echo高电平时间约为6um，而系统时钟的频率是72MHz，所以配置每俩次中断之间的节拍为432的时候，进入一次中断就代表0.1cm的距离，所以只需要记录进入中断的次数就可以算出距离。通过一个全局变量在中断函数中自增来记录中断次数。SysTick_Config函数源代码如下：

1. static __INLINE uint32_t SysTick_Config(uint32_t ticks)
   
2. {
   
3.         /* 判断ticks 是否超出装填值和重装值的最大值 */
   
4.   if (ticks > SysTick_LOAD_RELOAD_Msk)  return (1);            
   
5.   
   
6.   /* 配置 装载寄存器 */       
   
7.   SysTick->LOAD  = (ticks & SysTick_LOAD_RELOAD_Msk) - 1;     
   
8.         /* 配置 内核中断的优先级，也是在NVIC中 */
   
9.   NVIC_SetPriority (SysTick_IRQn, (1<<__NVIC_PRIO_BITS) - 1);
   
10.         /* 加载计数器的值 */
    
11.         /* SysTick->VAL是当前数值寄存器的值 */
    
12.   SysTick->VAL   = 0;      
    
13. 
    
14.         /* CTRL是SysTick控制及状态寄存器：
    
15.                 CLKSOURCE：位段2 时钟源选择，0=APB/8；1=APB  APB即72MHz
    
16.           TICKINT:   位段1 当置为1时，计数器递减到0时会产生中断请求；当置为0时无动作
    
17.           ENABLE：   位段0 使能位，可以启动SysTick定时器*/
    
18.         SysTick->CTRL  = SysTick_CTRL_CLKSOURCE_Msk |
    
19.                    SysTick_CTRL_TICKINT_Msk   |
    
20.                    SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;                  
    
21.   return (0);                                             
    
22. }
    
23. 
    

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SysTick的具体原理可以参考一下我之前的博客：SysTick原理

注意：SysTick_Config()函数执行完就开启了中断，所以必须在Echo为低电平后及时关闭中断，并且将记录中断的变量清零。

中断函数如示：

1. /* 用extern和volatile关键字修饰的 全局变量n */
   
2. extern volatile uint32_t n;
   
3. 
   
4. void SysTick_Handler(void)
   
5. {
   
6.         n++;
   
7. }
   

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关闭中断及清零n的代码如下：

1. /* 本来的使能位取反 */
   
2. SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
   

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SysTick->CTRL寄存器的0位控制着中断的使能，具体情况在之前SysTick的博客中已做详细说明。

4.如何将距离测出来
我在main函数中实现了距离的测量，并且通过串口打印函数将距离传到上位机，具体代码如示：

1. int main(void)
   
2. {
   
3. 
   
4.         int i=1,q;
   
5.         float p;
   
6.         /* HC-SR04模块引脚初始化 */
   
7.         SR04_GPIO_Init();
   
8.         /* 串口相关配置 */
   
9.         GQ_UART_Config();
   
10.         /* 打印调试信息 */
    
11.         printf("慢漫的测距实验\n ");
    
12.        
    
13.        
    
14.         while( 1 )
    
15.         {
    
16.                 /* 每0.5s测一次距离 */
    
17.                 Delay_ms( 500 );
    
18.        
    
19.                 /* Trig给一个至少10us的高电平，超声波进行一次测距 */
    
20.                 Trig_H;
    
21.                 Delay_us( 10 );
    
22.                 Trig_L;
    
23.                 /* 等待Echo高电平 */
    
24.                 while( Echo_Value != 1 );
    
25.                 /* 打开中断，对Echo高电平时间计时 */
    
26.                 /* 配置计数器的装载值是72*6=432，即一次中断6um，正好是超声波的0.1cm，所以中断次数n对应着n*0.1cm */
    
27.                 /* SysTick_Config()中已经使能计数器了,所以无需再开启        */
    
28.                 SysTick_Config( 432 );
    
29.                 /* 等待直到Echo为低电平 */
    
30.                 while(Echo_Value == 1);
    
31.                 /* 关闭中断，通过参数n来取得距离参数 */
    
32.                 /* 本来的使能位取反 */
    
33.                 SysTick->CTRL &= ~SysTick_CTRL_ENABLE_Msk;
    
34.                 /* p、q分别是距离的整数部分和小数部分 */
    
35.                 p=n/10;
    
36.                 q=n%10;
    
37.                 /* 打印距离信息 */
    
38.                 /* p-50时经过调试的，因为测量的距离和诸多因素有关，这个操作减小了误差 */
    
39.                 printf("第%d次测量为：%.0f.%dcm\n",i,p-50,q);
    
40.                 i++;
    
41.                 /* 清零中断记录变量n */
    
42.                 n=0;
    
43.         }
    
44.        
    
45. }
    

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