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第九十七章、CH32V103应用教程——超声波测距

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    6 天前
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    发表于 2021-6-10 20:36:13 | 显示全部楼层 |阅读模式

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    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. #include "ch32v10x_conf.h"

    4. #define  Trig_H  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0)
    5. #define  Trig_L  GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0)

    6. #define  Echo_H  GPIO_SetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1)
    7. #define  Echo_L  GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_1)

    8. void ultrasonic_GPIO_Init(void);
    9. void Start_Trig(void);

    10. #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. void ultrasonic_GPIO_Init(void)
    4. {
    5.     GPIO_InitTypeDef  GPIO_InitStructure;

    6.     RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

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

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

    14.     GPIO_ResetBits(GPIOA,GPIO_Pin_0|GPIO_Pin_1);
    15. }

    16. void Start_Trig(void)
    17. {
    18.     Trig_H;
    19.     Delay_Us(20);
    20.     Trig_L;
    21. }
    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. #include "ch32v10x_conf.h"

    4. void Input_Capture_Init( u16 arr, u16 psc );
    5. void ENABLE_TIM(void);
    6. void DISABLE_TIM(void);
    7. u32 GetCount(void);
    8. float Ultrasoniclength(void);

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

    5. u16 count = 0;

    6. /*******************************************************************************
    7. * Function Name  : Input_Capture_Init
    8. * Input          : arr: the period value.
    9. *                  psc: the prescaler value.
    10. * Return         : None
    11. *******************************************************************************/
    12. void Input_Capture_Init( u16 arr, u16 psc )
    13. {
    14.     TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseInitStructure;
    15.     NVIC_InitTypeDef        NVIC_InitStructure;

    16.     //使能IM2时钟
    17.     RCC_APB1PeriphClockCmd( RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    18.     ultrasonic_GPIO_Init();

    19.     TIM_DeInit(TIM2);
    20.     //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。
    21.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Period = arr;
    22.     //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。
    23.     //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。
    24.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_Prescaler = psc;
    25.     //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。
    26.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
    27.     TIM_TimeBaseInitStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; //设置计数模式,向上计数模式
    28.     //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。
    29.     TIM_TimeBaseInit( TIM2, &TIM_TimeBaseInitStructure);            //初始化

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

    36.     TIM_ClearFlag(TIM2, TIM_FLAG_Update);
    37.     TIM_ITConfig( TIM2, TIM_IT_Update, ENABLE ); //使能TIM2更新中断
    38.     TIM_Cmd( TIM2, DISABLE );                    //定时器使能
    39. }

    40. void ENABLE_TIM(void)
    41. {
    42.     //while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==RESET)
    43.     {
    44.         TIM_SetCounter(TIM2,0);
    45.         count = 0;
    46.         TIM_Cmd(TIM2,ENABLE);//回响信号到来,开启定时器计数
    47.     }
    48. }

    49. void DISABLE_TIM(void)
    50. {
    51.     //while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==SET)
    52.     {
    53.         TIM_Cmd(TIM2,DISABLE);//回响信号到来,开启定时器计数
    54.     }
    55. }

    56. u32 GetCount(void)
    57. {
    58.     u32 t = 0;
    59.     t = count*1000;
    60.     t += TIM_GetCounter(TIM2);
    61.     TIM_SetCounter(TIM2,0);
    62.     Delay_Ms(10);
    63.     return t;
    64. }

    65. //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
    66. //为了消除余震的影响,取五次数据的平均值进行加权滤波。
    67. float Ultrasoniclength(void )
    68. {
    69.     u32 t = 0;
    70.     int i = 0;
    71.     float length = 0 , sum = 0;
    72.     while(i!=5)
    73.     {
    74. //       Trig_H;
    75. //       Delay_Us(20);
    76. //       Trig_L;
    77.        Start_Trig();
    78.        while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA,GPIO_Pin_1)==RESET);  //此处一直等,等到为1,进行下一步
    79.        ENABLE_TIM();//回响信号到来,开启定时器计数
    80.        i = i + 1;
    81.        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
    82.        DISABLE_TIM();//回响信号到来,开启定时器计数
    83.        t = TIM_GetCounter(TIM2);
    84.        length=(t+count*1000)/58.0;//通过回响信号计算距离
    85.        sum = length + sum ;
    86.        TIM_SetCounter(TIM2,0);
    87.        count = 0;
    88.        Delay_Ms(100);
    89.      }
    90.      length = sum/5.0;
    91.      return length;
    92. }

    93. /*******************************************************************************
    94. * Function Name  : TIM2_IRQHandler
    95. *******************************************************************************/
    96. void TIM2_IRQHandler(void)
    97. {
    98.     if(TIM_GetITStatus(TIM2,TIM_IT_Update)!=RESET)
    99.     {
    100.         TIM_ClearITPendingBit(TIM2,TIM_IT_Update);//清除中断标志
    101.         count++;
    102.     }
    103. }
    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. *@Note
    10. 超声波测距模块
    11. */

    12. #include "debug.h"
    13. #include "gpio.h"
    14. #include "timer.h"

    15. /*******************************************************************************
    16. * Function Name  : main
    17. * Description    : Main program.
    18. * Input          : None
    19. * Return         : None
    20. *******************************************************************************/
    21. int main(void)
    22. {
    23.     float distance = 0;

    24.         Delay_Init();
    25.         USART_Printf_Init(115200);

    26.         //ultrasonic_GPIO_Init();
    27.         Input_Capture_Init(1000-1,72-1);

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

    30.         while(1)
    31.         {
    32.             distance = Ultrasoniclength();  //cm
    33.             printf("DISTANCE:%3.2f cm\n",distance);
    34.             Delay_Ms(1000);
    35.         }
    36. }
    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:
    CH32V103-第九十七章、CH32V103应用教程——超声波测距risc-v单片机中文社区(1)

    CH32V103-第九十七章、CH32V103应用教程——超声波测距risc-v单片机中文社区(2) 96、超声波测距.rar (579.78 KB, 下载次数: 1)
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