CH32V103应用教程——超声波测距

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CH32V103应用教程——超声波测距

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

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#ifndef __GPIO_H
#define __GPIO_H

#include "ch32v10x_conf.h"

#define  Trig_H  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0)
#define  Trig_L  GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0)

#define  Echo_H  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1)
#define  Echo_L  GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1)

void ultrasonic_GPIO_Init(void);
void Start_Trig(void);

#endif

gpio.h文件主要进行相关定义和函数声明；

gpio.c文件

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#include "gpio.h"
#include "debug.h"

void ultrasonic_GPIO_Init(void)
{
    GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA,&GPIO_InitStructure);

    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init( GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1);
}

void Start_Trig(void)
{
    Trig_H;
    Delay_Us(20);
    Trig_L;
}

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

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#ifndef __TIMER_H
#define __TIMER_H

#include "ch32v10x_conf.h"

void Input_Capture_Init( u16 arr, u16 psc );
void ENABLE_TIM(void);
void DISABLE_TIM(void);
u32 GetCount(void);
float Ultrasoniclength(void);

#endif

tim.h文件主要进行相关定义和函数声明；

tim.c文件

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#include "timer.h"
#include "gpio.h"
#include "debug.h"

void TIM2_IRQHandler(void) __attribute__((interrupt("WCH-Interrupt-fast")));

u16 count = 0;

/*******************************************************************************
* Function Name  : Input_Capture_Init
* Input          : arr: the period value.
*                  psc: the prescaler value.
* Return         : None
*******************************************************************************/
void Input_Capture_Init( u16 arr, u16 psc )
{
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef        NVIC_InitStructure;

    //使能IM2时钟
    RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    ultrasonic_GPIO_Init();

    TIM_DeInit(TIM2);
    //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。
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;
    //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。
    //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。
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
    //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。
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //设置计数模式，向上计数模式
    //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。
    TIM_TimeBaseInit( TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);            //初始化

    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;          //TIM1捕获比较中断
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;//设置抢占优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;       //设置响应优先级
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;          //使能通道
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
    TIM_ITConfig( TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE ); //使能TIM2更新中断
    TIM_Cmd( TIM2, DISABLE );                    //定时器使能
}

void ENABLE_TIM(void)
{
    //while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==RESET)
    {
        TIM_SetCounter(TIM2,0);
        count = 0;
        TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//回响信号到来，开启定时器计数
    }
}

void DISABLE_TIM(void)
{
    //while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==SET)
    {
        TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);//回响信号到来，开启定时器计数
    }
}

u32 GetCount(void)
{
    u32 t = 0;
    t = count*1000;
    t += TIM_GetCounter(TIM2);
    TIM_SetCounter(TIM2,0);
    Delay_Ms(10);
    return t;
}

//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
//为了消除余震的影响，取五次数据的平均值进行加权滤波。
float Ultrasoniclength(void )
{
    u32 t = 0;
    int i = 0;
    float length = 0 , sum = 0;
    while(i!=5)
    {
//       Trig_H;
//       Delay_Us(20);
//       Trig_L;
       Start_Trig();
       while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==RESET);  //此处一直等，等到为1，进行下一步
       ENABLE_TIM();//回响信号到来，开启定时器计数
       i = i + 1;
       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
       DISABLE_TIM();//回响信号到来，开启定时器计数
       t = TIM_GetCounter(TIM2);
       length=(t+count*1000)/58.0;//通过回响信号计算距离
       sum = length + sum ;
       TIM_SetCounter(TIM2,0);
       count = 0;
       Delay_Ms(100);
     }
     length = sum/5.0;
     return length;
}

/*******************************************************************************
* Function Name  : TIM2_IRQHandler
*******************************************************************************/
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);//清除中断标志
        count++;
    }
}

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

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/********************************** (C) COPYRIGHT *******************************
* File Name          : main.c
* Author             : WCH
* Version            : V1.0.0
* Date               : 2020/04/30
* Description        : Main program body.
*******************************************************************************/

/*
*@Note
超声波测距模块
*/

#include "debug.h"
#include "gpio.h"
#include "timer.h"

/*******************************************************************************
* Function Name  : main
* Description    : Main program.
* Input          : None
* Return         : None
*******************************************************************************/
int main(void)
{
    float distance = 0;

        Delay_Init();
        USART_Printf_Init(115200);

        //ultrasonic_GPIO_Init();
        Input_Capture_Init(1000-1,72-1);

        printf("SystemClk:%d\r\n",SystemCoreClock);
        printf("This is Ultrasonic ranging example\r\n");

        while(1)
        {
            distance = Ultrasoniclength();  //cm
            printf("DISTANCE:%3.2f cm\n",distance);
            Delay_Ms(1000);
        }
}

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：