STM32 四轴无人机的设计——基于HCSR04超声波模块的距离检测与警报设计

1、系列总述

从现在开始将会进入四轴无人机的制作，我是第一次制作四旋翼，从前没有接触过这个方面，手边的参考资料只有一本四轴的设计书和正点原子F405飞控的源码，所以代码逻辑设计方面肯定有所欠缺，大家可以积极留言讨论，共同进步。
进入正题，距离检测与报警，我的设想是将超声波测距模块安装在四旋翼的底部，虽然超声波精度不高，声波发射范围不可控，但是可以作为初学者，此模块可以完成定高，测距+报警功能已经满足了我的需求。

2.设计思路

依靠超声波模块测算空对地距离，在安全范围，无报警声，进入危险范围（我设定的<3m）蜂鸣器的报警频率与距离成正比，进入非常危险范围（<1m）蜂鸣器长鸣。

3、硬件设计

1. STM32F1开发板
2. HC_SR04超声波模块
3. 蜂鸣器

根据官方提供的数据可以看到，超声波驱动非常简单，只需要给出10us的高电平在Trip引脚，就可以让模块发出8个40KHz的脉冲，返回信号用高电平时间表示远近，并且从Echo引脚输出。所以这里就有两种设计方法，（1）直接通过对IO端口的操作，（2）通过TIM定时器的输入捕获功能，我这里使用的是第一种方法。第二种方法总会莫名其妙的无法接收到返回信号，所以为了四旋翼飞行的安全，我使用第一种方法。

4、软件设计

（1）测距模块
只需要两个IO引脚就可以完成操作，先使用引脚1输出15us的高电平，再使用引脚2开启输入模式，从引脚2接收到第一个高电平开始，开启定时器计时，等待引脚2变为低电平，结束计时，通过计算得出测量距离。
计算公式：距离（cm）=（定时器周期 × 溢出次数+定时器当前计时时间）× 34（cm/ms）/2
音速=34cm/ms = 340m/s
（2）警报模块
可以通过判断距离，小于3m时，将距离数据经过运算当做蜂鸣器的频率，可以做到距离越近，蜂鸣器频率越快，小于1m时，将不再判断距离，蜂鸣器设为长鸣模式。

5、代码示例

#define HCSR04_PORT     GPIOA
#define HCSR04_CLK      RCC_APB2Periph_GPIOA
#define HCSR04_TRIG     GPIO_Pin_5
#define HCSR04_ECHO     GPIO_Pin_6

/**  
  *  功能：超声波使用的引脚和定时器初始化 Trig-》PA5，Echo-》PA6
  *  入口参数：无
  *  返回值：无
  */
void hcsr04_Init(void)
{
    
      
  
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
	NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef  TIM_TimeBaseStructure;     //生成用于定时器设置的结构体
	
    RCC_APB2PeriphClockCmd(HCSR04_CLK, ENABLE);
     
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin =HCSR04_TRIG;       //发送电平引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;//推挽输出
    GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);
    GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_TRIG);
     
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = HCSR04_ECHO;     //返回电平引脚
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;//浮空输入
    GPIO_Init(HCSR04_PORT, &GPIO_InitStructure);  
	GPIO_ResetBits(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO);    
				 
	//定时器初始化 使用基本定时器TIM6
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM6, ENABLE);   //使能对应RCC时钟
	//配置定时器基础结构体
	TIM_DeInit(TIM2);
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = (1000-1); //设置在下一个更新事件装入活动的自动重装载寄存器周期的值,计数到1000为1ms
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler =(72-1); //设置用来作为TIMx时钟频率除数的预分频值,1M的计数频率 1US计数
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision=TIM_CKD_DIV1;//不分频
	TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;  //TIM向上计数模式
	TIM_TimeBaseInit(TIM6, &TIM_TimeBaseStructure); //根据TIM_TimeBaseInitStruct中指定的参数初始化TIMx的时间基数单位         
					
	TIM_ClearFlag(TIM6, TIM_FLAG_Update);   //清除更新中断，免得一打开中断立即产生中断
	TIM_ITConfig(TIM6,TIM_IT_Update,ENABLE);    //打开定时器更新中断
			
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM6_IRQn;             //选择串口1中断
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;  //抢占式中断优先级设置为1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;         //响应式中断优先级设置为1
	NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;        //使能中断
	NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);
		
    TIM_Cmd(TIM6,DISABLE);     
}


u16 msHcCount = 0;//ms计数
/**  
  *  功能：打开定时器，关闭定时器，发送Trig测距信号
  *  入口参数：
  *  返回值：
  */
static void Open_Timer_ForHc(void)        //打开定时器
{
    
    
	TIM_SetCounter(TIM6,0);//清除计数
	msHcCount = 0;
	TIM_Cmd(TIM6, ENABLE);  //使能TIMx外设
}

static void Close_Timer_ForHc(void)        //关闭定时器
{
    
    
	TIM_Cmd(TIM6, DISABLE);  //使能TIMx外设
}

static void Send_Trig_Signal(void)
{
    
    
	PAout(5)=1;
	delay_us(15);
	PAout(5)=0;
}

/**  
  *  功能：获取定时器时间
  *  入口参数：无
  *  返回值：无
  */

u32 Get_Echo_Timer(void)
{
    
    
	u32 t = 0;
	t = msHcCount*1000;//得到MS
	t += TIM_GetCounter(TIM6);//得到US
	TIM6->CNT = 0;  //将TIM6计数寄存器的计数值清零
	delay_ms(50);
	return t;
}

/**  
  *  功能：定时器6中断服务程序，保存超声波返回波时间在msHcCount中
  *  入口参数：无
  *  返回值：无
  */
void TIM6_IRQHandler(void)   //TIM6中断
{
    
    
        if (TIM_GetITStatus(TIM6, TIM_IT_Update) != RESET)  //检查TIM6更新中断发生与否
        {
    
    
                TIM_ClearITPendingBit(TIM6, TIM_IT_Update  );  //清除TIMx更新中断标志 
                msHcCount++;
        }
}

/**  
  *  功能：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。
  *  入口参数：无
  *  返回值：lengthTemp 滤波后的距离
  */

u32 Hcsr04_Get_Length(void )
{
    
    
        u32 time = 0;
        int i = 0;
        float lengthTemp = 0;
        float sum = 0;
        while(i!=5)
        {
    
    
			Send_Trig_Signal();
			while(GPIO_ReadInputDataBit(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO) == 0);      //等待接收口高电平输出
			Open_Timer_ForHc();        //打开定时器
			i = i + 1;
			while(GPIO_ReadInputDataBit(HCSR04_PORT,HCSR04_ECHO) == 1);
			Close_Timer_ForHc();        //关闭定时器
			time = Get_Echo_Timer();     //获取时间,分辨率为1US
			lengthTemp = ((float)time/58.0);//cm
			sum = lengthTemp + sum ;        
		}
        lengthTemp = sum/5.0;
		lengthTemp = lengthTemp*1000; 
        return (u32)lengthTemp;
}
/**  
  *  功能：超声波测距+蜂鸣器报警函数，成品函数（2021年2月9日17:12:07）
  *  入口参数：
  *  返回值：
  */
void Hcsr04_Data_Handle(u32 length)
{
    
    
	u16 a,b;
	a = length/1000;
	b = length%1000;
	if(a<100)//距离小于100cm，非常危险
		BEEP=1;
	else if(a<300)//距离小于300cm，即将碰撞
		BEEP_Flash(a);
	//LCD显示
	POINT_COLOR=BLUE;
	LCD_ShowString(30,150,200,16,16,"Distance is 000.000 CM");
	POINT_COLOR=RED;	
	LCD_ShowNum(30+96,150,a,3,16);
	LCD_ShowNum(30+128,150,b,3,16);
	
}

这样我们可以在主函数中直接调用两个函数的复合形式，就可以实现距离检测和报警功能。

//mian.c
Hcsr04_Data_Handle(Hcsr04_Get_Length());

6、实验效果

测量拍摄手机的距离，数据正确。