【NUCLEO-F401RE学习笔记】使用超声波传感器HC-SR04检测障碍物

天南地北客

1、  HC-SR04：一款廉价的超声波传感器

HC-SR04是一种常用的超声波传感器，能够探测2-300厘米范围内的障碍物。 传感器看起来像一个小PCB，前面有两个金属圆柱，背面有一个小电路。

在本文中，我们将提供一个简单的演示来使用HC-SR04。 首先简单阅读一下传感器的用户手册：HC-SR04 User Manual

该传感器有4个引脚：

●    VCC，该引脚需要连接到5V；

●    Trig，输入引脚，触发测量；

●    Echo，输出引脚，发出方波；

●    GND，该引脚需要连接到地。

2、  工作原理

两个圆柱实际上是超声波接收器（R）和超声波发射器（T），由电路驱动。 工作原理很简单：当触发时，发射器发射一些脉冲。 当声音遇到障碍物时，其被反射回来并由接收器检测。

由于声速几乎恒定，距离的计算与从发射到接收的经过时间严格相关。 事实上，声音必须行进两倍的距离（往返）。 已知经过的时间，到障碍物的距离：

其中：

●    d是障碍物和传感器之间的距离

●    v是声速（约340m / s）

●    t是经过的时间

注意，在这里我们不讨论测量的精度，这会受到不同因素的影响：

●    声速不恒定：取决于材料介质、温度、压力和湿度。

●    时间测量精度：测量由电路板上的电路执行，我们没有控制这方面。

●    障碍物可能没有平坦表面，并且可能存在多个衍射或伪回波。

3、  使用方法

如果Trig设置为高电平并保持至少10us，传感器将发出8个脉冲的声波。 对于声波产生回声所需的整个时间内，Echo为高电平。

测量距离的逻辑步骤如下：

●    设置输入捕捉单元来测量Echo引脚上方波的高电平周期；

●    上拉Trig信号至少10 us；

●    使用上一公式将测量时间转换为距离。

4、  简单演示

在第一个演示中，我们将使用STM32 Nucleo-F401RE开发板和ChibiOS来检测障碍物，并在ST-Link虚拟串口上打印输出距离。 为此，我们将使用chprintf（）和ICU驱动程序。

引脚连接如下：

●    VCC连接到5V；

●    Trig连接到PB10；

●    Echo连接到PA8；

●    GND连接到地。

通过查看main.c，我们可以看到这个演示是如何工作的。 经过一些初始化后，代码开始捕获PA8上的方波。

1. #define ICU_TIM_FREQ 1000000
   
2. #define SPEED_OF_SOUND 343.2f
   
3. 
   
4. static float lastdistance = 0.0;
   
5. 
   
6. static void icuwidthcb(ICUDriver *icup) {
   
7. 
   
8. icucnt_t width = icuGetWidthX(icup);
   
9. lastdistance = SPEED_OF_SOUND * width / 10000.0;
   
10. }
    
11. 
    
12. 
    
13. static ICUConfig icucfg = {
    
14. ICU_INPUT_ACTIVE_HIGH,
    
15. ICU_TIM_FREQ, /* 1MHz ICU clock frequency. */
    
16. icuwidthcb,
    
17. NULL,
    
18. NULL,
    
19. ICU_CHANNEL_1,
    
20. 0
    
21. };

复制代码

如上所述，距离体现在方波的宽度上：通过计算先前描述的公式，可以从宽度获得开始的距离。距离存储在main使用的变量中。

1.   while (true) {
   
2.     /* Triggering */
   
3.     palWriteLine(LINE_TRIGGER, PAL_HIGH);
   
4.     chThdSleepMicroseconds(10);
   
5.     palWriteLine(LINE_TRIGGER, PAL_LOW);
   
6. #if ANSI_ESCAPE_CODE_ALLOWED
   
7.     chprintf(chp, "\033[2J\033[1;1H");
   
8. #endif
   
9.     chprintf(chp, "Distance: %.2f cm\n\r", lastdistance);
   
10.     chThdSleepMilliseconds(100);
    
11.   }

复制代码

主循环通过在Trig上提供上升沿触发一次测量，并在STLink虚拟串口上打印输出上一个测量数据。

这些演示已经在ChibiOS 16.1.7进行过测试，并且可以与每个ChibiOS 16.1.x版本配合使用。代码下载地址：RT-STM32F401RE-NUCLEO-HC-SR04。