STM32 智能垃圾桶项目笔记（一）：超声波模块（HC-SR04）原理与驱动实现

本系列笔记是笔者学习 B 站 up 主 "技术探索者" STM32 系列视频所作的记录，有不明白的地方推荐观看视频

一、前言
二、超声波模块（HC-SR04）原理
- [2.1 模块引脚与核心特性](#2.1 模块引脚与核心特性)
- [2.2 工作原理与测距逻辑](#2.2 工作原理与测距逻辑)
- [2.3 时序图与中断触发方案](#2.3 时序图与中断触发方案)
[三、CubeMX 工程配置](#三、CubeMX 工程配置)
- [3.1 基础配置（芯片 / 时钟 / Debug）](#3.1 基础配置（芯片 / 时钟 / Debug）)
- [3.2 TIM3 配置（1μs 高精度延时）](#3.2 TIM3 配置（1μs 高精度延时）)
- [3.3 引脚与中断配置（Trig/Echo）](#3.3 引脚与中断配置（Trig/Echo）)
- [3.4 串口配置（数据传输与验证）](#3.4 串口配置（数据传输与验证）)
四、核心代码实现
- [4.1 1μs 延时函数（基于 TIM3）](#4.1 1μs 延时函数（基于 TIM3）)
- [4.2 串口重定向（printf 输出）](#4.2 串口重定向（printf 输出）)
- [4.3 超声波驱动函数（触发 / 中断回调）](#4.3 超声波驱动函数（触发 / 中断回调）)
- [4.4 驱动头文件（driver_sr04.h）](#4.4 驱动头文件（driver_sr04.h）)
五、总结与预告

一、前言

本系列笔记将记录笔者运用 STM32 知识完成 "智能垃圾桶" 入门级项目的全过程。若想跟做该项目，需提前准备以下耗材：

蓝牙模块：JDY-31
语音合成模块：SYN6288
超声波模块：HC-SR04（本次核心讲解模块）
智能垃圾桶的核心功能是 "检测物体靠近后自动开盖"，而超声波模块的作用就是精准测量物体与桶的距离 ------ 本次笔记将从模块原理、CubeMX 配置、代码实现三方面，完成超声波模块的基础驱动开发。

二、超声波模块（HC-SR04）原理

2.1 模块引脚与核心特性

HC-SR04 超声波模块共引出 4 个引脚，功能与接线要求如下：

引脚	功能描述	接线建议
VCC	电源正极	接 5V（模块工作电压为 5V）
Trig	触发信号输入（外部控制）	接 STM32 普通 GPIO 输出引脚
Echo	回响信号输出（反馈距离）	接 STM32 带中断的 GPIO 引脚
GND	电源负极	接 STM32 GND（需共地）

模块核心特性（无需深入研究参数细节，重点关注以下 3 点）：

测距范围：2cm ~ 400cm（满足垃圾桶开盖检测需求）
测量精度：0.3cm（精度足够）
工作频率：40kHz（超声波标准频率，无额外干扰）

2.2 工作原理与测距逻辑

HC-SR04 的工作流程由 "触发信号" 启动，通过 "回响信号" 反馈距离，具体步骤如下：

触发测距：STM32 向 Trig 引脚输出至少 10μs 的高电平信号（需高精度延时，笔者在定时器笔记中已实现，可回顾）；
模块自动发送 / 接收超声波：Trig 接收到触发信号后，模块会自动发送 8 个 40kHz 的方波，同时开始检测是否有超声波反射回来；
回响信号反馈：若超声波反射回来，模块会通过 Echo 引脚输出高电平 ------ 高电平的持续时间 = 超声波从 "发射到返回" 的总时间；
距离计算 ：根据 "时间 - 距离" 公式推导，最终距离 = （Echo 高电平持续时间 × 声速） / 2
（注：声速取 340m/s，除以 2 是因为超声波需 "发射→反射→返回"，走了两倍距离）。

2.3 时序图与中断触发方案

超声波模块的 Echo 引脚电平变化时序图如下：

从时序图可观察到：

Echo 引脚从低电平变高电平时，产生上升沿（标志着超声波开始返回）；
Echo 引脚从高电平变低电平时，产生下降沿（标志着超声波返回结束）；
上升沿到下降沿的时间差，就是 Echo 高电平持续时间（即超声波往返时间）。
因此，我们需要用双边沿触发中断来捕获这两个时刻：

上升沿触发中断：记录当前时间 t1（开启定时器计数）；
下降沿触发中断：记录当前时间 t2（停止定时器计数）；
计算时间差 t = t2 - t1，代入距离公式即可得到测量结果。

三、CubeMX 工程配置

笔者使用的是 STM32F103C8T6 最小系统板，以下配置步骤均基于该芯片，按步骤操作即可完成基础工程搭建。

3.1 基础配置（芯片 / 时钟 / Debug）

芯片选择 ：打开 CubeMX，搜索并选择 STM32F103C8T6，如下图：
Debug 配置 ：进入 System Core → SYS，Debug 选择 Serial Wire（SWD 调试模式，常用且稳定）；
时钟配置：
- 进入 System Core → RCC，High Speed Clock（HSE）选择 Crystal/Ceramic Resonator（外部晶振）；
- 进入 Clock Configuration，将 HCLK 配置为 72MHz（STM32F103 常用最高主频），配置如下：
工程生成配置：
- 进入 Project Manager → Code Generator，勾选 Generate peripheral initialization as a pair of .c/.h files per peripheral（外设初始化文件分开，便于管理）；
- 进入 Project Manager → Project，Toolchain/IDE 选择 MDK-ARM（Keil 编译器），填写工程名并选择保存路径；
- 点击 Generate Code 生成工程，编译确保无错误。

3.2 TIM3 配置（1μs 高精度延时）

超声波触发需要 10μs 高电平，需用 TIM3 实现 1μs 级延时，配置步骤如下：

进入 Timers → TIM3，模式选择 Internal Clock（内部时钟）；
使能中断：勾选 NVIC Settings → TIM3 global interrupt（后续延时函数无需中断，但需开启定时器计数）；
参数计算与配置 ：
- 预分频系数（Prescaler）：72 - 1（72MHz 时钟 / 72 = 1MHz，即 1 次计数 = 1μs）；
- 自动重载值（Counter Period）：65535（16 位定时器最大计数，避免频繁溢出）；
配置如下图：

3.3 引脚与中断配置（Trig/Echo）

笔者选择的引脚：Trig→PA9（输出）、Echo→PA8（中断输入），配置如下：

Trig 引脚（PA9）：
- 进入 GPIO → PA9，模式设为 GPIO_Output（推挽输出），无需中断；
Echo 引脚（PA8）：
- 进入 GPIO → PA8，模式设为 GPIO_EXTI8（外部中断模式）；
- 触发方式：Trigger Selection → Rising/Falling edge（双边沿触发）；
- 上拉电阻：Pull-up/Pull-down → Pull-up（避免引脚悬空误触发）；
- 配置如下图：
使能 Echo 中断：
- 进入 NVIC → NVIC Settings，勾选 EXTI line[9:5] interrupts（PA8 对应 EXTI8，属于 line [9:5] 组）。

3.4 串口配置（数据传输与验证）

需通过串口输出测量结果，配置 USART1 如下：

进入 Connectivity → USART1，模式选择 Asynchronous（异步通信）；
基本参数：波特率 115200，数据位 8，停止位 1，校验位 None；
使能串口中断：勾选 NVIC Settings → USART1 global interrupt（可选，本次仅用发送，不强制）；
配置如下图：
硬件接线：STM32 的 PB6（USART1_TX）接 TTL-USB 转换器的 RX，PB7（USART1_RX）接转换器的 TX，转换器与开发板共地。

四、核心代码实现

生成工程后，新建 driver 文件夹，创建 driver_sr04.c 和 driver_sr04.h（驱动文件），并将 driver 文件夹添加到 Keil 工程路径（Options for Target → C/C++ → Include Paths）。

4.1 1μs 延时函数（基于 TIM3）

该函数与之前定时器笔记的实现略有不同，通过 "设置计数起始值" 实现精准延时，代码如下：

c 复制代码

#include "driver_sr04.h"
#include "stm32f1xx_hal.h"

// 声明 TIM3 句柄（CubeMX 自动生成在 tim.c 中）
extern TIM_HandleTypeDef htim3;

/**
 * @brief  1μs 级高精度延时函数
 * @param  us：目标延时时间（单位：μs，最大 65530μs，避免溢出）
 * @retval 无
 */
void Delay_us(uint16_t us)
{
    uint16_t differ = 0xffff - us - 5;  // 计算计数起始值（-5 为代码执行补偿）
    __HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim3, differ);  // 设置 TIM3 计数起始值
    HAL_TIM_Base_Start(&htim3);  // 启动 TIM3 计数
    
    // 等待计数到接近 0xffff（避免溢出）
    while(differ < 0xffff - 5)
    {
        differ = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim3);  // 实时读取计数值
    }
    
    HAL_TIM_Base_Stop(&htim3);  // 停止 TIM3 计数
}

逻辑说明：

定时器从 differ 向上计数到 0xffff，计数次数 = 0xffff - differ ≈ us（补偿值 -5 抵消函数调用耗时）；
1MHz 时钟下，1 次计数 = 1μs，因此总延时 ≈ 目标 us 值。

4.2 串口重定向（printf 输出）

需实现 fputc 函数，让 printf 通过 USART1 输出，代码添加在 usart.c 中：

c 复制代码

#include <stdio.h>  // 包含 printf 所需头文件

// 声明 USART1 句柄
UART_HandleTypeDef huart1;

/**
 * @brief  串口重定向函数，printf 输出到 USART1
 * @param  ch：要输出的字符
 * @param  f：文件指针（标准输出，无需关注）
 * @retval 输出的字符
 */
int fputc(int ch, FILE *f)
{
    HAL_UART_Transmit(&huart1, (uint8_t*)&ch, 1, 1000);  // 发送 1 个字符，超时 1000ms
    return ch;
}

Keil 配置：

打开工程 Options for Target → Target，勾选 Use MicroLIB（启用微库，支持 printf）；
进入 Debug → Settings → Flash Download，勾选 Reset and Run（下载后自动运行）。

4.3 超声波驱动函数（触发 / 中断回调）

4.3.1 触发函数（SR04_Trigger）

向 Trig 引脚输出 10μs 高电平，启动模块测距：

c 复制代码

/**
 * @brief  超声波模块触发函数（启动测距）
 * @param  无
 * @retval 无
 */
void SR04_Trigger(void)
{
    Trig_ON;    // PA9 拉高（触发开始）
    Delay_us(10);  // 保持 10μs 高电平
    Trig_OFF;   // PA9 拉低（触发结束）
}

4.3.2 中断回调函数（捕获 Echo 电平）

需额外配置 TIM4（用于计数 Echo 高电平时间），步骤如下：

CubeMX 中配置 TIM4：Internal Clock，预分频 72-1，自动重载 65535，无需使能中断；
在 driver_sr04.c 中实现 GPIO 中断回调，捕获 Echo 上升沿 / 下降沿：

c 复制代码

// 声明 TIM4 句柄（CubeMX 自动生成）
extern TIM_HandleTypeDef htim4;
uint32_t distance_cm = 0;  // 测量距离（单位：cm）

/**
 * @brief  GPIO 中断回调函数（处理 Echo 引脚电平变化）
 * @param  GPIO_Pin：触发中断的引脚
 * @retval 无
 */
void HAL_GPIO_EXTI_Callback(uint16_t GPIO_Pin)
{
    static uint32_t count = 0;  // 定时器计数值（暂存）
    
    if(GPIO_Pin == GPIO_PIN_8)  // 确认是 Echo 引脚（PA8）
    {
        if(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_8) == 1)  // Echo 上升沿（开始返回）
        {
            HAL_TIM_Base_Start(&htim4);  // 启动 TIM4 计数
            __HAL_TIM_SetCounter(&htim4, 0);  // 清零计数值
        }
        else  // Echo 下降沿（返回结束）
        {
            HAL_TIM_Base_Stop(&htim4);  // 停止 TIM4 计数
            count = __HAL_TIM_GetCounter(&htim4);  // 读取计数值（1 计数 = 1μs）
            
            // 距离计算：count(μs) × 340(m/s) / 2 → 转换为 cm
            distance_cm = count * 340 / 2 * 0.000001 * 100;
            count = 0;  // 清零计数值，准备下次测量
        }
    }
}

4.4 驱动头文件（driver_sr04.h）

声明函数与宏定义，供外部调用：

c 复制代码

#ifndef __DRIVER_SR04_H
#define __DRIVER_SR04_H

#include "main.h"
#include <stdio.h>

// 宏定义：Trig 引脚（PA9）电平控制
#define Trig_ON    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_SET)
#define Trig_OFF   HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_9, GPIO_PIN_RESET)

// 函数声明
void Delay_us(uint16_t us);        // 1μs 延时函数
void SR04_Trigger(void);           // 超声波触发函数

// 外部变量声明（可选，供 main.c 读取距离）
extern uint32_t distance_cm;

#endif

五、总结与预告

本次笔记完成了超声波模块（HC-SR04）的核心开发：

理解了模块的 "触发→测距→反馈" 工作流程，以及基于双边沿中断的时间捕获方案；
完成 CubeMX 配置（基础时钟、TIM3/TIM4 定时器、引脚中断、串口）；
实现了 1μs 延时、触发函数、中断回调函数，为后续距离测量做好准备。
下一篇笔记将结合本次驱动文件，实现完整逻辑。请关注 Hello_Embed，我们一起逐步完成智能垃圾桶项目！

STM32 智能垃圾桶项目笔记（一）：超声波模块（HC-SR04）原理与驱动实现

目录

一、前言

二、超声波模块（HC-SR04）原理

2.1 模块引脚与核心特性

2.2 工作原理与测距逻辑

2.3 时序图与中断触发方案

三、CubeMX 工程配置

3.1 基础配置（芯片 / 时钟 / Debug）

3.2 TIM3 配置（1μs 高精度延时）

3.3 引脚与中断配置（Trig/Echo）

3.4 串口配置（数据传输与验证）

四、核心代码实现

4.1 1μs 延时函数（基于 TIM3）

4.2 串口重定向（printf 输出）

4.3 超声波驱动函数（触发 / 中断回调）

4.3.1 触发函数（SR04_Trigger）

4.3.2 中断回调函数（捕获 Echo 电平）

4.4 驱动头文件（driver_sr04.h）

五、总结与预告