第九十七章、CH32V103应用教程——超声波测距

草帽王子

本章教程主要通过使用CH32V103开发板连接超声波测距模块进行超声波测距实验。本次实验教程所用传感器为HC-SR04超声波传感器。


1、TIM简介及超声波测距原理简介

关于TIM，在前面章节已经进行过介绍，在此不再赘述。
HC-SR04超声波传感器模块共有4个引脚可与开发板连接：VCC、GND、Trig、Echo。其中，VCC支持3.3V-5V供电；Trig引脚作为控制端，其内部上拉10K的电阻，需用单片机的IO口拉低Trig引脚，然后给一个10us以上的脉冲信号。Echo引脚作为接收端，主要接收返回信号。
关于超声波模块测距原理，主要如下：
（1）通过单片机IO口触发测距，给（Trig引脚）至少10us以上的高电平信号；
（2）模块会自动发送8个40KHz的方波，并自动检测是否有信号返回；
（3）针对这个模块Echo是输出,接下来它会自动接收超声波,并且接收完后在Echo这个输出脚上输出一段高电平，这个高电平的时间就是声波发出并且反射回来所用的时间,所以我们在单片机中就需要读取这个引脚。此处需要用到定时器的输入捕获功能。
超声波从发射到返回的时间，测试距离D=（高电平时间T*声速340m/s）/2.
关于TIM具体介绍，可参考前面章节及CH32V103应用手册。


2、硬件设计

本章教程使用超声波模块进行测距。CH32V103开发板与超声波测距模块的连接方式如下：

• CH32V103开发板的VCC引脚与超声波测距模块的VCC引脚连接
• CH32V103开发板的GND引脚与超声波测距模块的GND引脚连接
• CH32V103开发板的PA0引脚与超声波测距模块的Trig引脚连接
• CH32V103开发板的PA1引脚与超声波测距模块的Echo引脚连接
  

3、软件设计

本章教程主要进行超声波测距实验，需要用到GPIO输出以及TIM输入捕获功能，具体程序如下：
gpio.h文件

1. #ifndef __GPIO_H
   
2. #define __GPIO_H
   
3. 
   
4. #include "ch32v10x_conf.h"
   
5. 
   
6. #define  Trig_H  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0)
   
7. #define  Trig_L  GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0)
   
8. 
   
9. #define  Echo_H  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1)
   
10. #define  Echo_L  GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1)
    
11. 
    
12. void ultrasonic_GPIO_Init(void);
    
13. void Start_Trig(void);
    
14. 
    
15. #endif

复制代码

gpio.h文件主要进行相关定义和函数声明；
gpio.c文件

1. #include "gpio.h"
   
2. #include "debug.h"
   
3. 
   
4. void ultrasonic_GPIO_Init(void)
   
5. {
   
6.     GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;
   
7. 
   
8.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
   
9. 
   
10.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    
11.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    
12.     GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    
13.     GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);
    
14. 
    
15.     GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    
16.     GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    
17.     GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_InitStructure);
    
18. 
    
19.     GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1);
    
20. }
    
21. 
    
22. void Start_Trig(void)
    
23. {
    
24.     Trig_H;
    
25.     Delay_Us(20);
    
26.     Trig_L;
    
27. }

复制代码

gpio.c文件主要进行GPIO初始化以及进行开启超声波测距函数配置。
tim.h文件

1. #ifndef __TIMER_H
   
2. #define __TIMER_H
   
3. 
   
4. #include "ch32v10x_conf.h"
   
5. 
   
6. void Input_Capture_Init( u16 arr, u16 psc );
   
7. void ENABLE_TIM(void);
   
8. void DISABLE_TIM(void);
   
9. u32 GetCount(void);
   
10. float Ultrasoniclength(void);
    
11. 
    
12. #endif

复制代码

tim.h文件主要进行相关定义和函数声明；
tim.c文件

1. #include "timer.h"
   
2. #include "gpio.h"
   
3. #include "debug.h"
   
4. 
   
5. void TIM2_IRQHandler(void) __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")));
   
6. 
   
7. u16 count = 0;
   
8. 
   
9. /*******************************************************************************
   
10. * Function Name  : Input_Capture_Init
    
11. * Input          : arr: the period value.
    
12. *                  psc: the prescaler value.
    
13. * Return         : None
    
14. *******************************************************************************/
    
15. void Input_Capture_Init( u16 arr, u16 psc )
    
16. {
    
17.     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    
18.     NVIC_InitTypeDef        NVIC_InitStructure;
    
19. 
    
20.     //使能IM2时钟
    
21.     RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
    
22. 
    
23.     ultrasonic_GPIO_Init();
    
24. 
    
25.     TIM_DeInit(TIM2);
    
26.     //定时器周期，实际就是设定自动重载寄存器 ARR 的值， ARR 为要装载到实际自动重载寄存器（即影子寄存器） 的值， 可设置范围为 0 至 65535。
    
27.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;
    
28.     //定时器预分频器设置，时钟源经该预分频器才是定时器计数时钟CK_CNT，它设定 PSC 寄存器的值。
    
29.     //计算公式为： 计数器时钟频率 (fCK_CNT) 等于fCK_PSC / (PSC[15:0] + 1)，可实现 1 至 65536 分频。
    
30.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
    
31.     //时钟分频，设置定时器时钟 CK_INT 频率与死区发生器以及数字滤波器采样时钟频率分频比。可以选择 1、 2、 4 分频。
    
32.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    
33.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //设置计数模式，向上计数模式
    
34.     //TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_RepetitionCounter =  0x00;      //设置重复计数器的值，0。重复计数器，只有 8 位，只存在于高级定时器。
    
35.     TIM_TimeBaseInit( TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);            //初始化
    
36. 
    
37.     NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    
38.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;          //TIM1捕获比较中断
    
39.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;//设置抢占优先级
    
40.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;       //设置响应优先级
    
41.     NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;          //使能通道
    
42.     NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
    
43. 
    
44.     TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
    
45.     TIM_ITConfig( TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE ); //使能TIM2更新中断
    
46.     TIM_Cmd( TIM2, DISABLE );                    //定时器使能
    
47. }
    
48. 
    
49. void ENABLE_TIM(void)
    
50. {
    
51.     //while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==RESET)
    
52.     {
    
53.         TIM_SetCounter(TIM2,0);
    
54.         count = 0;
    
55.         TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//回响信号到来，开启定时器计数
    
56.     }
    
57. }
    
58. 
    
59. void DISABLE_TIM(void)
    
60. {
    
61.     //while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==SET)
    
62.     {
    
63.         TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);//回响信号到来，开启定时器计数
    
64.     }
    
65. }
    
66. 
    
67. u32 GetCount(void)
    
68. {
    
69.     u32 t = 0;
    
70.     t = count*1000;
    
71.     t += TIM_GetCounter(TIM2);
    
72.     TIM_SetCounter(TIM2,0);
    
73.     Delay_Ms(10);
    
74.     return t;
    
75. }
    
76. 
    
77. //一次获取超声波测距数据 两次测距之间需要相隔一段时间，隔断回响信号
    
78. //为了消除余震的影响，取五次数据的平均值进行加权滤波。
    
79. float Ultrasoniclength(void )
    
80. {
    
81.     u32 t = 0;
    
82.     int i = 0;
    
83.     float length = 0 , sum = 0;
    
84.     while(i!=5)
    
85.     {
    
86. //       Trig_H;
    
87. //       Delay_Us(20);
    
88. //       Trig_L;
    
89.        Start_Trig();
    
90.        while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==RESET);  //此处一直等，等到为1，进行下一步
    
91.        ENABLE_TIM();//回响信号到来，开启定时器计数
    
92.        i = i + 1;
    
93.        while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==SET);  //此处一直等，等到为0，进行下一步，这两段while之间的时间就是高电平时间，即发出到返回接收的时间
    
94.        DISABLE_TIM();//回响信号到来，开启定时器计数
    
95.        t = TIM_GetCounter(TIM2);
    
96.        length=(t+count*1000)/58.0;//通过回响信号计算距离
    
97.        sum = length + sum ;
    
98.        TIM_SetCounter(TIM2,0);
    
99.        count = 0;
    
100.        Delay_Ms(100);
     
101.      }
     
102.      length = sum/5.0;
     
103.      return length;
     
104. }
     
105. 
     
106. /*******************************************************************************
     
107. * Function Name  : TIM2_IRQHandler
     
108. *******************************************************************************/
     
109. void TIM2_IRQHandler(void)
     
110. {
     
111.     if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET)
     
112.     {
     
113.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);//清除中断标志
     
114.         count++;
     
115.     }
     
116. }

复制代码

tim.c文件主要进行TIM输入捕获初始化以及超声波测距相关函数配置。
main.c文件

1. /********************************** (C) COPYRIGHT *******************************
   
2. * File Name          : main.c
   
3. * Author             : WCH
   
4. * Version            : V1.0.0
   
5. * Date               : 2020/04/30
   
6. * Description        : Main program body.
   
7. *******************************************************************************/
   
8. 
   
9. /*
   
10. *@Note
    
11. 超声波测距模块
    
12. */
    
13. 
    
14. #include "debug.h"
    
15. #include "gpio.h"
    
16. #include "timer.h"
    
17. 
    
18. /*******************************************************************************
    
19. * Function Name  : main
    
20. * Description    : Main program.
    
21. * Input          : None
    
22. * Return         : None
    
23. *******************************************************************************/
    
24. int main(void)
    
25. {
    
26.     float distance = 0;
    
27. 
    
28.         Delay_Init();
    
29.         USART_Printf_Init(115200);
    
30. 
    
31.         //ultrasonic_GPIO_Init();
    
32.         Input_Capture_Init(1000-1,72-1);
    
33. 
    
34.         printf("SystemClk:%d\r\n",SystemCoreClock);
    
35.         printf("This is Ultrasonic ranging example\r\n");
    
36. 
    
37.         while(1)
    
38.         {
    
39.             distance = Ultrasoniclength();  //cm
    
40.             printf("DISTANCE:%3.2f cm\n",distance);
    
41.             Delay_Ms(1000);
    
42.         }
    
43. }

复制代码

main.c文件主要进行函数初始化以及打印输出模块测量的距离。


4、下载验证

将编译好的程序下载到开发版并复位，与超声波测距模块接好之后串口打印如下：

96、超声波测距.rar (579.78 KB, 下载次数: 16)

2021-6-10 20:35 上传

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96、超声波测距.rar
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完