⑴ 基於stm32的多功能時鍾4——超聲波測距
hello，讀者們好！
前兩章，主要講述了環境參量的測量獲取，想必大家都有些許收獲。在這一章中，我將介紹如何利用超聲波來測距。在現實生活中，利用超聲波測距的應用很多，廣泛應用於機器人避障 、物體測距 、液位檢測 、公共安防、停車場檢測等領域。
本次測距使用的超聲波為HC-SRO4，該模塊共有4個引腳，分別是兩個電源引腳VCC和GND，一個觸發控制信號輸入（TRIG）和一個回響信號輸出（ ECHO），性能穩定，測度距離精確，模塊高精度，盲區小。
那麼，超聲波模塊測距原理是：首先，給Trig引腳至少10us的高電平信號，檢測Echo是否有信號返回，若有信號返回，則Echo發出高電平。高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，所以測試距離為（高電平時間*聲速）/2。下面，就是超聲波模塊的時序圖。
本模塊使用方法簡單，配合stm32的定時器TIM4，一個控制口發一個10us以上的高電平，就可以在接收口等待高電平輸出。一有輸出就可以開定時器TIM4計時，當此口變為低電平時就可以讀定時器TIM4的值，此時就為此次測距的時間，方可算出距離。如此不斷的周期測，即可以達到你移動測量的值。
（1）配置超聲波的引腳
/*初始化超聲波引腳:Trig:PB0,Echo:PB1*/
void ultra_gpio_init(void)
{
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
/*使能GPIO的RCC時鍾*/
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB,ENABLE);
/*配置Trig引腳*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//Trig
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
/*配置Echo引腳*/
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//Echo
GPIO_Init(GPIOB,&GPIO_InitStructure);
}
由於PB0接超聲波Trig引腳，所以選擇推挽輸出模式，PB1接超聲波Echo引腳，所以選擇浮空輸入模式。這樣，超聲波模塊引腳就配置完成。
（2）定時器TIM4初始化
/*定時器4的NVIC配置*/
void tim4_nvic_config(void)
{
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStruct;
NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannel = TIM4_IRQn;
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;//搶占優先順序為0
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;//子優先順序為0
NVIC_InitStruct.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStruct);
}
/*定時器4初始化*/
void tim4_config(void)
{
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStruct;
tim4_nvic_config(); //配置NVIC
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM4,ENABLE);//開啟時鍾
TIM_DeInit(TIM4); //定時器4復位
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Period = 1000-1; //自動重裝載寄存器值
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_Prescaler = 72-1; //時鍾預分頻數
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1; //采樣分頻
TIM_TimeBaseInitStruct.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //計數模式
TIM_TimeBaseInit(TIM4, &TIM_TimeBaseInitStruct); //初始化TIM4
TIM_ClearFlag(TIM4, TIM_FLAG_Update); //清除溢出中斷標志
TIM_ITConfig(TIM4, TIM_IT_Update, ENABLE);
TIM_Cmd(TIM4, DISABLE);
}
由於考慮到測距時的距離過大，計數會溢出，出現不準確的現象，這里需要用到長計時，並且使用TIM4中斷對計時變數進行自增，所以需要配置NVIC。這里設置的中斷優先順序比較高，因為測距不能被其他中斷打斷，否則可能出現數據不準的現象，或是數據抖動現象。其次，設置TIM4的中斷溢出時間為1ms，此時還不能開啟定時器TIM4。
（3）編寫定時器中斷程序
/*定時器4中斷服務函數*/
void TIM4_IRQHandler(void)
{
if(TIM_GetITStatus(TIM4 ,TIM_IT_Update)!=RESET)
{
TIM4_NUM++;//長計時變數
}
TIM_ClearITPendingBit(TIM4 ,TIM_FLAG_Update);
}
為避免測量的距離過長，這里我們需要進行長計時，只需在中斷函數里這樣操作：TIM4_NUM++，同時記得在每次測量距離前對TIM4_NUM復位即可。
（4）編寫超聲波測距相關函數
/*啟動超聲波測距*/
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;
}
/*獲取超聲波傳播時間,間接計算出距離*/
float ultra_get_distance(void)
{
u32 time;
float distance;
time = TIM4_NUM*1000;
time += TIM_GetCounter(TIM4);//獲取超聲波測距總時間
TIM4->CNT = 0; //定時器復位
distance = (float)time*0.017;
return distance;
}
這里，需要查閱超聲波手冊中的時序圖，方可編寫程序。首先，向給trig 發送至少10 us的高電平脈沖，然後等待，捕捉 echo 端輸出上升沿，捕捉到上升沿的同時，打開定時器開始計時，再次等待捕捉echo的下降沿，當捕捉到下降沿，讀出計時器的時間，這就是超聲波在空氣中運行的時間，按照測試距離=（高電平時間*聲速）/2 就可以算出超聲波到障礙物的距離。
這里我們測算的距離：distance = (float)time*0.017，計算的距離單位為cm。
（5）主函數調用測距函數
最後，在主函數里，調用測距函數即可獲取到距離值，再通過lcd顯示函數，顯示出距離值。
value = ultra_measure();
lcd_display_string(0,32,"測量距離");
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);
通過本章的介紹，相信你對於超聲波測距應該了解不少了吧，相信你也可以做出來的。通過不斷改變超聲波和障礙物之間的位置，距離值會隨之改變，是不是很有趣啊~
到目前為止，多功能時鍾已經具備了顯示時間、測量溫濕度、測量空氣質量以及測距的功能，但我們的LCD顯示部分還沒有優化。在下一章中，我將帶著大家完成多功能時鍾人機交互界面（簡稱UI）的開發，到時候，我們的界面就會變得比較美觀了。敬請期待~