STM32 智能垃圾桶：HC-SR04 超声波测距模块实战与避坑指南

最近在做一个 STM32 智能垃圾桶的项目，其中核心模块之一就是利用 HC-SR04 超声波模块来检测桶内垃圾的填充高度，实现自动开盖和满溢报警功能。 在选型过程中，也踩了不少坑，比如精度问题、稳定性问题等等。今天就来分享一下 HC-SR04 的原理、驱动实现，以及一些实战经验。

HC-SR04 超声波模块原理详解

HC-SR04 超声波测距模块利用的是超声波在空气中的传播速度恒定的特性（大约340m/s），通过计算超声波发射到接收的时间差来确定距离。模块主要由一个超声波发射器和一个超声波接收器组成。

其工作流程如下：

1. 触发信号：给模块的 Trig 引脚至少 10us 的高电平触发信号。
2. 发射超声波：模块内部的发射器发射 8 个 40kHz 的超声波脉冲。
3. 接收回波：超声波遇到障碍物后反射回来，被接收器接收。
4. 输出回响信号：模块的 Echo 引脚输出高电平，高电平的持续时间就是超声波从发射到接收的时间。
5. 计算距离：根据公式 距离 = (高电平时间 * 声速) / 2 计算出距离。 注意除以 2 是因为声波走了两个来回。

STM32 驱动 HC-SR04 的硬件连接

硬件连接非常简单，只需要将 HC-SR04 的 VCC、GND、Trig、Echo 引脚分别连接到 STM32 的 3.3V 电源、GND、一个输出 GPIO 引脚和一个输入 GPIO 引脚即可。推荐使用 STM32 的硬件定时器捕获功能来精确测量 Echo 引脚的高电平持续时间。

STM32 代码实现：定时器捕获法

下面是使用 STM32 HAL 库驱动 HC-SR04 的示例代码。这里使用定时器 TIM2 的通道 1 来捕获 Echo 引脚的高电平时间。

#include "stm32f1xx_hal.h"

// 定义 HC-SR04 的引脚
#define HCSR04_TRIG_Pin GPIO_PIN_5
#define HCSR04_TRIG_GPIO_Port GPIOA
#define HCSR04_ECHO_Pin GPIO_PIN_6
#define HCSR04_ECHO_GPIO_Port GPIOA

// 定义定时器
TIM_HandleTypeDef htim2;

// 变量
volatile uint32_t IC_Val1 = 0; // 捕获的第一个值
volatile uint32_t IC_Val2 = 0; // 捕获的第二个值
volatile uint32_t IC_Diff = 0; // 两次捕获的差值
volatile uint8_t Is_First_Captured = 0; // 第一次捕获标志
volatile float Distance = 0; // 距离

// 初始化定时器
void TIM2_Init(void)
{
  htim2.Instance = TIM2;
  htim2.Init.Prescaler = 71; // 72MHz / 72 = 1MHz (1 us resolution)
  htim2.Init.CounterMode = TIM_COUNTERMODE_UP;
  htim2.Init.Period = 0xffff; // 最大计数
  htim2.Init.ClockDivision = TIM_CLOCKDIVISION_DIV1;
  htim2.Init.AutoReloadPreload = TIM_AUTORELOAD_PRELOAD_DISABLE;
  HAL_TIM_IC_Init(&htim2);
}

// 发送触发信号
void HCSR04_Trigger(void)
{
  HAL_GPIO_WritePin(HCSR04_TRIG_GPIO_Port, HCSR04_TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET);
  HAL_Delay(10); // 至少 10us
  HAL_GPIO_WritePin(HCSR04_TRIG_GPIO_Port, HCSR04_TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);
}

// 定时器中断回调函数
void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
  if (htim->Channel == HAL_TIM_ACTIVE_CHANNEL_1)
  {
    if (Is_First_Captured == 0) // 第一次捕获
    {
      IC_Val1 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);
      Is_First_Captured = 1;  // 设置第一次捕获标志
      // Start the second measurement
      __HAL_TIM_RESET_IT(htim, TIM_IT_CC1); // 清除中断标志
    }
    else // 第二次捕获
    {
      IC_Val2 = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1);

      if (IC_Val2 > IC_Val1)
      {
        IC_Diff = IC_Val2 - IC_Val1;
      }
      else if (IC_Val2 < IC_Val1)
      {
        IC_Diff = (0xffff - IC_Val1) + IC_Val2;
      }
      else
      {
        IC_Diff = 0;
      }

      Distance = (IC_Diff * 0.34) / 2; // 单位：mm
      Is_First_Captured = 0; // 重置第一次捕获标志
    }
  }
}

int main(void)
{
  // 初始化 HAL 库
  HAL_Init();

  // 初始化时钟
  // ...

  // 初始化 GPIO
  // ...

  // 初始化定时器
  TIM2_Init();
  HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1); // 启动定时器捕获中断

  while (1)
  {
    HCSR04_Trigger(); // 发送触发信号
    HAL_Delay(100);   // 测量间隔
    // 在这里使用 Distance 变量进行后续处理，例如控制垃圾桶的开盖
  }
}

实战避坑经验

1. 电源滤波：HC-SR04 对电源噪声比较敏感，建议在 VCC 引脚处添加一个 100nF 的陶瓷电容进行滤波。
2. 盲区问题：HC-SR04 存在盲区，一般在 2-3cm 左右。在这个范围内，模块无法准确测量距离。在设计垃圾桶时，需要考虑这个盲区，避免垃圾桶距离传感器太近导致误判。
3. 角度问题：超声波具有一定的指向性，如果垃圾桶内的垃圾堆积不均匀，可能会导致超声波反射不回来，造成测量误差。可以通过调整传感器的角度或者使用多个传感器来解决这个问题。
4. 温度影响：声速受温度影响，温度升高，声速会加快。在精度要求较高的场合，需要对温度进行补偿。可以添加一个温度传感器，根据温度计算声速，然后修正距离值。
5. HAL 库配置：使用 HAL 库时，务必确保定时器的时钟源配置正确，预分频系数也要根据实际情况进行调整，以获得合适的计数分辨率。如果预分频系数设置不当，会导致测量精度降低。

智能垃圾桶项目总结

通过以上步骤，我们就可以成功地驱动 HC-SR04 超声波模块，并将其应用到 STM32 智能垃圾桶项目中。 当然，这只是一个基础的实现，后续还可以加入更多的功能，例如 WIFI 联网、APP 控制、垃圾分类识别等等。希望这篇文章能够帮助到正在学习 STM32 和超声波测距的朋友们。