基于stm32的多功能时钟4——超声波测距

        hello，读者们好！

         前两章，主要讲述了环境参量的测量获取，想必大家都有些许收获。在这一章中，我将介绍如何利用超声波来测距。在现实生活中，利用超声波测距的应用很多，广泛应用于机器人避障 、物体测距 、液位检测 、公共安防、停车场检测等领域。

        本次测距使用的超声波为HC-SRO4，该模块共有4个引脚，分别是两个电源引脚VCC和GND，一个触发控制信号输入（TRIG）和一个回响信号输出（ ECHO），性能稳定，测度距离精确，模块高精度，盲区小。

        那么，超声波模块测距原理是：首先，给Trig引脚至少10us的高电平信号，检测Echo是否有信号返回，若有信号返回，则Echo发出高电平。高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，所以测试距离为（高电平时间声速）/2。下面，就是超声波模块的时序图。

        本模块使用方法简单，配合stm32的定时器TIM4，一个控制口发一个10us以上的高电平，就可以在接收口等待高电平输出。一有输出就可以开定时器TIM4计时，当此口变为低电平时就可以读定时器TIM4的值，此时就为此次测距的时间，方可算出距离。如此不断的周期测，即可以达到你移动测量的值。

（1）配置超声波的引脚

/初始化超声波引脚:Trig:PB0,Echo:PB1/

void ultra_gpio_init(void)

{

    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

    /使能GPIO的RCC时钟/

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);

    /配置Trig引脚/

    GPIO_InitStructureGPIO_Pin = GPIO_Pin_0;

    GPIO_InitStructureGPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;

    GPIO_InitStructureGPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//Trig

    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

    /配置Echo引脚/

    GPIO_InitStructureGPIO_Pin = GPIO_Pin_1;

    GPIO_InitStructureGPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//Echo

    GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);

}

        由于PB0接超声波Trig引脚，所以选择推挽输出模式，PB1接超声波Echo引脚，所以选择浮空输入模式。这样，超声波模块引脚就配置完成。

（2）定时器TIM4初始化

/定时器4的NVIC配置/

void tim4_nvic_config(void)

{

    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);

    NVIC_InitStructNVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;

    NVIC_InitStructNVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;//抢占优先级为0

    NVIC_InitStructNVIC_IRQChannelSubPriority = 0;//子优先级为0

    NVIC_InitStructNVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;

    NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);

}

/定时器4初始化/

void tim4_config(void)

{

    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;

    tim4_nvic_config();                                //配置NVIC

    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);//开启时钟

    TIM_DeInit(TIM4);                                      //定时器4复位

    TIM_TimeBaseInitStructTIM_Period = 1000-1;                  //自动重装载寄存器值

    TIM_TimeBaseInitStructTIM_Prescaler = 72-1;              //时钟预分频数

    TIM_TimeBaseInitStructTIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;    //采样分频

    TIM_TimeBaseInitStructTIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //计数模式

    TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStruct);            //初始化TIM4

    TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update);                        //清除溢出中断标志

    TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);

    TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);

}

        由于考虑到测距时的距离过大，计数会溢出，出现不准确的现象，这里需要用到长计时，并且使用TIM4中断对计时变量进行自增，所以需要配置NVIC。这里设置的中断优先级比较高，因为测距不能被其他中断打断，否则可能出现数据不准的现象，或是数据抖动现象。其次，设置TIM4的中断溢出时间为1ms，此时还不能开启定时器TIM4。

（3）编写定时器中断程序

/定时器4中断服务函数/

void TIM4_IRQHandler(void)

{

    if(TIM_GetITStatus(TIM4 ,TIM_IT_Update)!=RESET)

    {

        TIM4_NUM++;//长计时变量

    }

    TIM_ClearITPendingBit(TIM4 ,TIM_FLAG_Update);

}

        为避免测量的距离过长，这里我们需要进行长计时，只需在中断函数里这样 *** 作：TIM4_NUM++，同时记得在每次测量距离前对TIM4_NUM复位即可。

（4）编写超声波测距相关函数

/启动超声波测距/

u16 ultra_measure(void)

{

    u16 distance;

    TRIG_H;

    delay_us(20);

    TRIG_L;

    while(ECHO==RESET);

    TIM_SetCounter(TIM4,0);

    TIM4_NUM = 0;

    TIM_Cmd(TIM4, ENABLE);

    while(ECHO!=RESET);

    TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);

    distance = (u16)ultra_get_distance();

    return distance;

}

/获取超声波传播时间,间接计算出距离/

float ultra_get_distance(void)

{

    u32 time;

    float distance;

    time = TIM4_NUM1000;

    time += TIM_GetCounter(TIM4);//获取超声波测距总时间

    TIM4->CNT = 0;                            //定时器复位

    distance = (float)time0017;

    return distance;

}

        这里，需要查阅超声波手册中的时序图，方可编写程序。首先，向给trig 发送至少10 us的高电平脉冲，然后等待，捕捉 echo 端输出上升沿，捕捉到上升沿的同时，打开定时器开始计时，再次等待捕捉echo的下降沿，当捕捉到下降沿，读出计时器的时间，这就是超声波在空气中运行的时间，按照测试距离=（高电平时间声速）/2 就可以算出超声波到障碍物的距离。

        这里我们测算的距离：distance = (float)time0017，计算的距离单位为cm。

（5）主函数调用测距函数

最后，在主函数里，调用测距函数即可获取到距离值，再通过lcd显示函数，显示出距离值。

    value = ultra_measure();

    lcd_display_string(0,32,"测量距离");

    lcd_display_num_m(3, 48, value/1000);

    lcd_display_num_m(3, 56, (value%1000)/100);

    lcd_display_num_m(3, 64, (value%100)/10);

    lcd_display_num_m(3, 72, value%10);

        通过本章的介绍，相信你对于超声波测距应该了解不少了吧，相信你也可以做出来的。通过不断改变超声波和障碍物之间的位置，距离值会随之改变，是不是很有趣啊~

        到目前为止，多功能时钟已经具备了显示时间、测量温湿度、测量空气质量以及测距的功能，但我们的LCD显示部分还没有优化。在下一章中，我将带着大家完成多功能时钟人机交互界面（简称UI）的开发，到时候，我们的界面就会变得比较美观了。敬请期待~

目前国内超声波测距器的设计大多采用汇编语言设计。由于单片机应用系统的日趋复杂，要求所写

的代码规范化，模块化，并便于多人以软件工程的形式进行协同开发，汇编语言作为传统的单片机应用系

统的编程语言，已经不能满足这样的实际需要了，而C语言以其结构化和能产生高效代码满足了这样的需

求，成为电子工程师进行单片机系统编程时的首先编程语言。在本设计中，由于C语言程序有利于实现较

复杂的算法，汇编语言程序具有较高的效率并且容易精确计算程序运行的时间，而超声波测距器的程序既

有较复杂的距离计算又要求精确计算超声波测距时程序运行的时间，所以本设计采用C语言和汇编语言

混合编程来实现。本文论述的是一种基于AT89C52单片机的超声波测距器，可用于汽车倒车等场合⋯。

1设计要求

设计一个超声波测距器，可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的位置监控，也可用

于如液位、井深、管道长度的测量等场合。要求测量范围在0．10—5．00 m，测量精度lem，测量时与被测物

体无直接接触，能够清晰稳定地显示测量结果。

2设计思路

2．1超声波及其测距原理

超声波是指频率高于20KHz的机械波。为了以超声波作为检测手段，必须产生超声波和接收超声波。

完成这种功能的装置就是超声波传感器，习惯上称为超声波换能器或超声波探头。超声波传感器有发送

器和接收器，但一个超声波传感器也可具有发送和接收声波的双重作用。超声波传感器是利用压电效应

的原理将电能和超声波相互转化，即在发射超声波的时候，将电能转换为超声波，发射超声波；而在收到回

波的时候，则将超声振动转换成电信号。

超声波测距的原理一般采用渡越时间法TOt(time of fliight)。首先测出超声波从发射到遇到障碍物返

回所经历的时间，再乘以超声波的速度就得到二倍的声源与障碍物之间的距离。测量距离的方法有很多

种，短距离的可以用尺，远距离的有激光测距等，超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波

收稿日期：2008-04-08

作者简介：周功明(1963一)，男，副教授，主要研究方向：电子信息科学技术。

·50· 绵阳师范学院学报(自然科学版) 第27卷

在标准空气中的传播速度为331．45粑秒，由单片机负责计时，单片机使用12．0M晶振，所以此系统的测

量精度理论上可以达到毫米级。由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播距离远，因而超声波

可以用于距离的测量。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，并且在测量精度方面也

能达到要求。

超声波发生器可以分为两类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。本课题

属于近距离测量，可以采用常用的压电式超声波换能器来实现7。

2．2超声波测距器的系统框图

根据设计要求并综合各方面因素，可以采用AT89C52单片机作为主控制器，用动态扫描法实现LED

数字显示，超声波驱动信号用单片机的定时器完成，超声波测距器的系统框图如下图l所示¨2|：

3系统组成

3．1硬件部分

主要由单片机系统及显示电路、超声波发射电路

和超声波检测接收电路三部分组成。采用AT89C52来

实现对CX20106A红外接收芯片和TCT40—10系列超

声波转换模块的控制。单片机通过P1．0引脚经反相

＼

超声波接收E ：， LED显示单片机r

／＼

Z ∑

超声波发送高控制器

：> 扫描驱动

图1 超声波测距器系统设计框图

Fig．1 Ultrasonic eLangi．g system design diagram

器来控制超声波的发送，然后单片机不停的检测INT0引脚，当INTO引脚的电平由高电平变为低电平时就

认为超声波已经返回。计数器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过换算就可以得到传感器与障碍

物之间的距离¨≈J。

3．2软件部分

主要由主程序、超声波发生子程序、超声波接收中断程序及显示子程序等部分。

4系统硬件电路设计

4．1单片机系统及显示电路

单片机采用AT89C52或其兼容系列。采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定的时钟频率，减小测

量误差。单片机用P1．0端口输出超声波转化器所需的40KHz方波信号，利用外中断0口检测超声波接收

电路输出的返回信号。显示电路采用简单实用的4位共阳LED数码管，段码用74LS244驱动，位码用PNP

三极管驱动。单片机系统及显示电路如下图2所示‘1。31。

图2单片机及显示电路原理图

Fig．2 MCU and display circuit schematics

第8期周功明等：基于AT89C52单片机的超声波测距器设计·51．

4．2超声波发射电路原理图

压电超声波转换器的功能：利用压电晶体谐振工作。内部结构如图3‘3Ⅲ1所示，它有两个压电晶片和

一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频

率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片PI．O

将会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，

这时它就是一超声波发生器；如没加电压，当共

振板接收到超声波时，将压迫压电振荡器作振

动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声

波接收转换器。超声波发射转换器与接收转换

器其结构稍有不同。

4．3超声波检测接收电路图3发射电路原理图

参考红外转化接收电路，本设计采用集成

F‘g·3 U1‘ms。nie劬啪mi‘妇c‘咖1‘∞hem蚯c

电路CX20106A，这是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。考虑到红外遥控

常用的载波频率38KHz与测距超声波频率

40KHz较为接近，可以利用它作为超声波检测

电路。如图43 J[71超声波检测接收电路原理图

所示，适当改变C4的大小，可改变接收电路的

灵敏度和抗干扰能力。⋯． J。j-二

5系统程序设计

超声波测距软件设计主要由主程序，超声

波发射子程序，超声波接收中断程序及显示子

程序组成。下面对超声波测距器的算法，主程

序，超声波发射子程序和超声波接收中断程序

逐一介绍。

5．1超声波测距器的算法设计

GND

图4超声波检测接收电路原理图

Fig．4 Ultrasonic receiver and detection circuit schematic

图5_列示意了超声波测距的原理，即超声

波发生器T在某一时刻发出的一个超声波信号，当超声波遇到被测物

体后反射回来，就被超声波接收器R所接受。这样只要计算出发生信

号到接收返回信号所用的时问，就可算出超声波发生器与反射物体的

距离。

距离计算公式：d=s／2=(c木t)／2，其中d为被测物与测距器的距

离，s为声波的来回路程，c为声速，t为声波来回所用的时间。

图5超声波测距原理图

Fig．5 Ultrasonic Ranging schematic

声速c与温度有关(见表1)，如温度变化不大，则可认为声速是基

本不变的。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只要测得超声波往

返时间，即可求得距离。在系统加入温度传感器来监测环境温度，可进行温度补偿。这里可以用DSl8820

测量环境温度，根据不同的环境温度确定一声速提高测距的稳定性。为了增强系统的可靠性，可在软硬件

上采用抗干扰措施。

表1不同温度下的超声波速表

Table I Under different temperatures ultrasonic velocity Table

·52· 绵阳师范学院学报(自然科学版) 第27卷

5．2主程序

主程序首先对系统环境初始化，设置定时器1D工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许

位EA并给显示端Po和P2清0。然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射

器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟0．1ms(这也就是测距器会有一个最小可测距离的原因)

后，才打开外中断0接收返回的超声波信号。由于采用12MHz的晶振，机器周期为lus，当主程序检测到接

收成功的标志位后，将计数器哟中的数(即超声波来回所用的时

间)按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取

20℃时的声速为344 m／s则有：d=(C木TO)／2=172T0／10000cm

(其中，ID为计数器，ID的计数值)。

测出距离后结果将以十进制BCD码方式LED，然后再发超声

波脉冲重复测量过程。主程序框图如图6所示。

5．3超声波发生子程序和超声波接收中断程序

超声波发生子程序的作用是通过PI．0端口发送2个左右的

超声波信号频率约40KHz的方波，脉冲宽度为12 US左右，同时把

计数器，ID打开进行计时。超声波测距器主程序利用外中断0检

测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号(INT0引脚出现

低电平)，立即进入中断程序。进入该中断后就立即关闭计时器

，ID停止计时，并将测距成功标志字赋值l。如果当计时器溢出时

还未检测到超声波返回信号，则定时器rID溢出中断将外中断0关

闭，并将测距成功标志字赋值2以表示此次测距不成功H旬J。

5．4超声波测距器的部分程序清单

／宰超声波测距器d片机c程序使用Keil C51 ver 7．09

。

木／

#include<re951．h>

#define uchar unsigned int

#define uint unsigned int

#define ulong unsigned long

Extem void ca_t(void)；

Extem void delay(uint)；

Extem void display(unchar)；

Data unehar testtok；

／木超声波测距器主程序术／

Void main(void)

{data unchar dispram[5]；

data uint i；

data ulong time；

p0=0xff；

pl=0xff；

TMOD=0X11：

IE=0x80；

While(1)

{．“}

开始

系统初始化

发送超声波脉冲

等待发射超声波

计算距离

显示结果0．5s

图6主程序框图

diagram of the main program

第8期周功明等：基于AT89C52单片机的超声波测距器设计·53·

6软硬件调试

超声波测距仪的制作和调试，其中超声波发射和接收采用中15的超声波换能器TCT40一IOFl(T发

射)和TCT40—10S1(R接收)，中心频率为40kHz，安装时应保持两换能器中心轴线平行并相距4—8 cm，

其余元件无特殊要求。若能将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。根据测量范围

要求不同，可适当调整与接收换能器并接的滤波电容C4的大小，以获得合适的接收灵敏度和抗干扰能力。

硬件电路制作完成并调试好后，便可将程序编译好下载到单片机试运行。根据实际情况可以修改超

声波发生子程序每次发送的脉冲宽度和两次测量的间隔时间，以适应不同距离的测量需要∞71。

7 结束语

本文设计的是基于AT89C52单片机的超声波测距器，可应用于汽车倒车等场合，提醒驾驶员倒车时有

效的避开可能对倒车造成危害的障碍物和行人，从而有效避免由于倒车造成的汽车碰撞或擦伤经济损失

和人身安全问题。具有较强的实用性。

参考文献：

[1] 周功明．基于AT89C2051d片机的防盗自动报警电子密码锁系统设计[J]．绵阳师范学院学报，2007，26(5)：112—

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以上就是关于基于stm32的多功能时钟4——超声波测距全部的内容，包括:基于stm32的多功能时钟4——超声波测距、求基于AT89C52超声波测距简易设计的源程序，要求用3个LED管显示其测距，精确到小数点后2位如，X.XX米。、等相关内容解答，如果想了解更多相关内容，可以关注我们，你们的支持是我们更新的动力！