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STM32超声波测距实战：HC-SR04与输入捕获应用

郦小号

1. 项目概述

最近在做一个基于STM32的超声波测距项目，使用HC-SR04传感器配合STM32的输入捕获功能实现精确测距。这个项目非常适合用来练习STM32定时器的输入捕获功能，同时也能学到很多实用的嵌入式开发技巧。

HC-SR04是一款常见的超声波测距模块，价格便宜、使用简单，测距范围在2cm-400cm之间，精度可达3mm。通过这个项目，我们可以实现当检测到物体距离小于20cm时自动点亮板载LED的实用功能。

2. HC-SR04超声波传感器原理

2.1 测距原理

超声波测距的基本原理很简单：通过测量超声波从发射到接收的时间差来计算距离。具体公式为：

距离 = (声速 × 传播时间) / 2

这里除以2是因为超声波走了往返两倍的距离。在常温下，声速约为340m/s。

2.2 传感器引脚说明

HC-SR04有4个引脚：

  • VCC：电源正极（5V）
  • GND：电源负极
  • Trig：触发信号输入
  • Echo：回响信号输出

2.3 工作时序

HC-SR04的工作时序如下：

  1. 向Trig引脚发送至少10μs的高电平脉冲
  2. 模块自动发送8个40kHz的超声波脉冲
  3. Echo引脚会输出一个高电平脉冲，其宽度与距离成正比
  4. 通过测量Echo引脚高电平的持续时间即可计算距离

3. 硬件连接

3.1 电路连接图

将HC-SR04与STM32连接如下：

  • VCC → 5V
  • GND → GND
  • Trig → PA0
  • Echo → PA1

板载LED连接在PC13引脚上。

3.2 注意事项

  1. HC-SR04的工作电压是5V，但Echo输出也是5V电平，需要确保STM32的PA1引脚能承受5V输入
  2. 如果STM32是3.3V系统，建议在Echo信号线上加一个分压电阻
  3. 超声波传感器对安装位置很敏感，要确保传感器前方没有遮挡

4. STM32CubeMX配置

4.1 创建新工程

  1. 打开STM32CubeMX，新建工程
  2. 选择STM32F103C8T6芯片
  3. 配置调试接口为Serial Wire（SWD模式）

4.2 GPIO配置

  1. 配置PA0为GPIO输出（Trig引脚）
  2. 配置PC13为GPIO输出（板载LED）
  3. PA1保持默认（后续用于输入捕获）

4.3 定时器配置

使用TIM1的输入捕获功能：

  1. 通道1配置为输入捕获，上升沿触发
  2. 通道2配置为输入捕获，下降沿触发
  3. 预分频器设置为71，使定时器时钟为1MHz（1μs分辨率）
  4. 自动重装载值设为65535（16位最大值）

4.4 时钟配置

系统时钟配置为72MHz，定时器时钟为72MHz，经过预分频后为1MHz。

5. 代码实现

5.1 初始化代码

在main.c中添加以下初始化代码：

c复制// 初始化定时器
HAL_TIM_IC_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
HAL_TIM_IC_Start(&htim1, TIM_CHANNEL_2);

5.2 测距流程

完整的测距流程如下：

  1. 复位定时器计数器
c复制__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim1, 0);
  1. 清除捕获标志位
c复制__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC1);
__HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC2);
  1. 发送Trig脉冲
c复制HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
HAL_Delay(1);  // 10μs脉冲
HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
  1. 等待捕获完成
c复制while(!(__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC1) && 
        __HAL_TIM_GET_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC2)));
  1. 读取捕获值
c复制uint16_t rise = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
uint16_t fall = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
  1. 计算距离
c复制float pulseWidth = (fall - rise) * 1e-6f;  // 转换为秒
float distance = 340.0f * pulseWidth / 2.0f;
  1. 控制LED
c复制if(distance < 0.2f) {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
} else {
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
}

5.3 完整主循环

c复制while (1) {
    // 1. 复位定时器
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim1, 0);
    
    // 2. 清除标志位
    __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC1);
    __HAL_TIM_CLEAR_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC2);
    
    // 3. 发送Trig脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(1);
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 4. 等待捕获完成
    uint32_t timeout = HAL_GetTick() + 100;
    while(!(__HAL_TIM_GET_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC1) && 
            __HAL_TIM_GET_FLAG(&htim1, TIM_FLAG_CC2))) {
        if(HAL_GetTick() > timeout) break;
    }
    
    // 5. 读取捕获值
    uint16_t rise = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_1);
    uint16_t fall = __HAL_TIM_GET_COMPARE(&htim1, TIM_CHANNEL_2);
    
    // 6. 计算距离
    float pulseWidth = (fall - rise) * 1e-6f;
    float distance = 340.0f * pulseWidth / 2.0f;
    
    // 7. 控制LED
    if(distance < 0.2f) {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_RESET);
    } else {
        HAL_GPIO_WritePin(GPIOC, GPIO_PIN_13, GPIO_PIN_SET);
    }
    
    HAL_Delay(100);  // 测量间隔
}

6. 常见问题与调试技巧

6.1 常见问题

  1. 测距结果不稳定

    • 检查电源是否稳定
    • 确保传感器安装牢固
    • 添加软件滤波（如多次测量取平均）

  2. 无法触发测量

    • 检查Trig引脚连接
    • 确保Trig脉冲宽度足够（至少10μs）

  3. 捕获值异常

    • 检查定时器配置是否正确
    • 确保Echo引脚连接正确
    • 检查是否设置了超时处理

6.2 调试技巧

  1. 使用逻辑分析仪观察Trig和Echo信号
  2. 在关键位置添加调试打印
  3. 逐步验证每个功能模块
  4. 使用HAL_Delay()进行简单延时调试

7. 性能优化

7.1 提高测量频率

当前实现中每次测量间隔100ms，可以通过以下方式提高测量频率：

  1. 减少测量间隔时间
  2. 使用中断代替轮询
  3. 优化代码执行效率

7.2 增加滤波算法

原始数据可能会有波动，可以增加以下滤波算法：

  1. 移动平均滤波
  2. 中值滤波
  3. 卡尔曼滤波

7.3 扩展功能

基于当前项目可以扩展以下功能：

  1. 添加串口输出距离值
  2. 实现多传感器测距
  3. 增加报警阈值可调功能
  4. 添加LCD显示距离

8. 项目总结

这个HC-SR04超声波测距项目完整展示了STM32定时器输入捕获功能的应用。通过这个项目，我们学到了：

  1. HC-SR04超声波传感器的工作原理和使用方法
  2. STM32定时器输入捕获功能的配置和使用
  3. 从硬件连接到软件实现的完整开发流程
  4. 常见问题的排查和解决方法

在实际应用中，超声波测距可以用于很多场景，如倒车雷达、物体检测、液位测量等。掌握了这个基础实现后，可以根据具体需求进行功能扩展和优化。

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矢量控制（FOC）作为现代电机控制的核心技术，通过坐标变换实现转矩与磁场的解耦控制，显著提升永磁同步电机（PMSM）的动态性能。然而在实际应用中，逆变器死区效应会导致电流畸变和转矩脉动，直接影响系统效率与可靠性。死区补偿技术通过实时修正PWM输出，有效抑制谐波失真（THD），在工业自动化、电动汽车等高精度控制场景中具有重要价值。本文基于Simulink平台，详细解析了融合线性死区补偿的双闭环控制方案，通过仿真验证可使电流THD从18.7%降至6.2%，为工程师提供了一套可落地的参数整定与硬件实现方法。
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