如何调试超声波测距系统？

如何调试超声波测距系统？

超声波测距是一种常用的非接触式测量技术，广泛应用于机器人避障、液位检测和距离测量等领域。本文将详细介绍超声波测距系统的调试步骤和注意事项。

一、硬件连接与配置

1. 硬件连接：

• 将HC-SR04模块的VCC引脚连接到5V电源。
• GND引脚连接到地线。
• Trig引脚连接到单片机的PB14引脚。
• Echo引脚连接到单片机的PB15引脚。

2. CubeMX配置：

• 设置系统时钟频率为最大，例如168MHz。
• APB1的时钟频率设置为84MHz。

• 配置TIM2基础定时器，分频系数为83，计数单位为1μs，向上计数模式，周期为65535。
• 配置PB14为输出模式（Trig引脚），PB15为输入模式（Echo引脚）。

二、软件实现

1. 触发信号：
   使用宏定义控制Trig引脚的高低电平：

   #define HCSR_TRIG_HIGH() HAL_GPIO_WritePin(HC_SR04_Trig_GPIO_Port, HC_SR04_Trig_Pin, GPIO_PIN_SET)
   #define HCSR_TRIG_LOW() HAL_GPIO_WritePin(HC_SR04_Trig_GPIO_Port, HC_SR04_Trig_Pin, GPIO_PIN_RESET)
   

2. 触发脉冲信号：
   实现不低于10μs的TTL高电平脉冲信号，这里延时20μs：

   void HCSR04StartTrigStart(void)
   {
       HCSR_TRIG_HIGH();
       for_delay_us(20);
       HCSR_TRIG_LOW();
   }
   

3. 回响信号读取：
   使用TIM2计时器来测量Echo引脚的高电平持续时间：
   

   void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
   {
       if (GPIO_Pin == GPIO_PIN_15) // Echo引脚
       {
           if (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PIN_15) == 1) // Echo高电平开始
           {
               __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2, 0); // 重置TIM2计数器
               while (HAL_GPIO_ReadPin(GPIO_PIN_15) == 1); // 等待Echo变低
               time_count = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2); // 获取计数值
           }
       }
   }
   

三、计算距离

1. 公式：
   距离 = (time_count * 声速(340M/S)) / 2；
   time_count是TIM2计数器的值，单位为μs。

四、调试与优化

1. 调试步骤：

• 确保硬件连接正确，特别是Trig和Echo引脚的连接。
• 检查单片机和超声波模块的供电是否正常。
• 使用逻辑分析仪或示波器观察Trig和Echo引脚的信号波形，确保触发信号和回响信号的正确性。
• 根据实际测量结果调整延时和计数器的参数，以确保测量精度。

2. 常见问题及解决方法：

• 如果测量距离不准确，检查超声波模块的安装位置和被测物体的表面是否平整。
• 如果回响信号不稳定，可能是由于环境噪声干扰，可以尝试增加滤波处理。

五、代码示例

以下是完整的代码示例，用于实现超声波测距的基本功能：

#include "stm32f1xx.h"
#include "usart.h"
#include "delay.h"
#include "key.h"
#include "time.h"
#include "exti.h"
#include "Ultrasonic.h"

int main(void)
{
    unsigned int rang = 0;
    /*初始化串口*/
    delay_init();
    key_init_wt(); 
    //TIM3_Int_Init(4999,7199);//10Khz的计数频率，计数到5000为500ms 
    ultrasonic_config();
    EXTI_config(); 
    TIM3_Int_Init(4,71); //5us
    USART1_Config();
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2); //设置NVIC中断分组2:2位抢占优先级，2位响应优先级
    USART1_printf(USART1,"\r\nHello World\r\n");
    while(1)
    {
        if(0 == KEY1)
        {
            delay_ms(10);
            if(0 == KEY1)
            {
                while(0 == KEY1);
                USART1_printf(USART1,"\r\n\r\n");
                ultrasonic_Ranging(); 
                USART1_printf(USART1,"\r\ntime_count=%d\n",time_count);
                rang = (unsigned int)(((time_count*0.000005*340)/2)*1000); 
                USART1_printf(USART1,"\r\nDistance=%d\n",rang);
            }
            while(0 == KEY1);
        }
    }
}

六、相关问答FAQs

Q1：超声波测距模块的工作原理是什么？
A1：超声波测距模块通过发射超声波脉冲并接收其回波来测量距离，模块的Trig引脚发送一个至少10μs的高电平脉冲信号，触发模块内部发出8个40kHz的方波，然后自动检测是否有信号返回，有信号返回时，Echo引脚输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间，根据这个时间间隔和声速，可以计算出距离。

Q2：如何提高超声波测距的精度？
A2：提高超声波测距精度的方法包括：

• 确保被测物体表面平整且面积足够大（建议不少于0.5平方米）。
• 使用适当的滤波处理来减少环境噪声干扰。
• 调整测量周期，建议测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。