【STM32】基于HAL库的HC-SR04超声波测距：定时器输入捕获与温度补偿实战-编程实验室

1. HC-SR04超声波测距模块基础

HC-SR04是市面上最常见的低成本超声波测距模块，价格通常在10元以内，但测距效果却相当可靠。我第一次用这个模块是在大学做智能小车项目，当时就被它简单的四线接口和稳定的性能惊艳到了。

模块正面有两个金属圆筒，一个是发射器（T），一个是接收器（R）。工作时，发射器会发出40kHz的超声波脉冲，遇到障碍物反射后被接收器检测到。模块背面有四个引脚：

VCC：接3.3V或5V电源（实测5V时测距更远）
Trig：触发信号输入，给10us以上高电平启动测距
Echo：回响信号输出，高电平持续时间对应距离
GND：接地

工作时序特别简单：给Trig脚一个10us以上的高电平脉冲，模块就会自动发射8个40kHz的超声波脉冲，然后Echo脚会输出一个高电平，这个高电平的持续时间就是从发射到接收的时间差t。距离计算公式为：距离 = (t × 声速)/2。这里的除以2是因为声波是往返时间。

2. STM32硬件连接与CubeMX配置

我用的是STM32F103C8T6最小系统板，成本不到20元，完全够用。连接方式如下：

VCC → 5V
Trig → PA1（任意GPIO均可）
Echo → PA0（必须连接支持输入捕获的定时器通道）
GND → GND

在CubeMX中的配置步骤：

启用TIM2定时器，选择内部时钟源
配置通道1为输入捕获模式
设置预分频器(PSC)为71，ARR为65535（72MHz主频下得到1MHz计数频率，1us分辨率）
开启TIM2全局中断和捕获中断
配置PA1为GPIO输出模式
启用USART1用于调试输出

关键点在于定时器配置。我选择TIM2是因为它是最基础的通用定时器，所有STM32型号都有。输入捕获模式可以精确测量Echo高电平的持续时间，1us的分辨率对于超声波测距完全够用。

3. HAL库输入捕获实现

HAL库的输入捕获流程比标准库更抽象，但用熟练后反而更简单。主要逻辑都在回调函数中处理：

// 定义测量结构体 typedef struct { uint16_t start_val; uint16_t end_val; float distance; uint8_t capture_flag; } SR04_TypeDef; SR04_TypeDef hcsr04; // 输入捕获回调函数 void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(htim->Instance == TIM2) { if(hcsr04.capture_flag == 0) { // 捕获上升沿 hcsr04.start_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING); hcsr04.capture_flag = 1; } else { // 捕获下降沿 hcsr04.end_val = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING); hcsr04.capture_flag = 0; // 计算距离 uint16_t pulse_width = (hcsr04.end_val > hcsr04.start_val) ? (hcsr04.end_val - hcsr04.start_val) : (65535 - hcsr04.start_val + hcsr04.end_val); hcsr04.distance = pulse_width * 0.0343 / 2; // 单位cm } } }

这个实现有几个关键点：

使用结构体保存测量状态，避免全局变量混乱
在上升沿捕获时立即切换为下降沿捕获，确保能测量完整脉冲宽度
处理定时器计数器溢出的情况（end_val < start_val时）
计算距离时使用0.0343cm/us的声速（25℃标准值）

4. 温度补偿算法实现

标准声速是25℃下的343m/s，但实际环境中温度变化很大。温度每升高1℃，声速增加约0.6m/s。我在项目中增加了DS18B20温度传感器，接线如下：

VCC → 3.3V
DQ → PB0（需接4.7K上拉电阻）
GND → GND

温度补偿代码：

float Get_Speed_By_Temp(float temp) { return 331.5 + 0.6 * temp; // 声速与温度关系公式 } void Update_Distance_With_Temp(float temp) { float speed = Get_Speed_By_Temp(temp); uint16_t pulse_width = (hcsr04.end_val > hcsr04.start_val) ? (hcsr04.end_val - hcsr04.start_val) : (65535 - hcsr04.start_val + hcsr04.end_val); hcsr04.distance = pulse_width * (speed / 10000) / 2; // 转换为cm单位 }

实测发现，在冬季（约5℃）和夏季（约35℃）时，补偿前后的测距误差可以从±3cm降低到±1cm以内。对于需要精确测距的场景（如自动泊车），这个改进非常关键。

5. 完整工作流程与优化技巧

主程序的工作流程如下：

int main(void) { HAL_Init(); SystemClock_Config(); MX_GPIO_Init(); MX_TIM2_Init(); MX_USART1_UART_Init(); // 初始化HC-SR04 HAL_TIM_IC_Start_IT(&htim2, TIM_CHANNEL_1); while (1) { // 触发测距 HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET); delay_us(20); HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET); // 读取温度并更新距离 float temp = DS18B20_GetTemp(); Update_Distance_With_Temp(temp); // 串口输出 printf("距离: %.1fcm 温度: %.1f℃\r\n", hcsr04.distance, temp); HAL_Delay(100); // 两次测量间隔至少60ms } }

几个优化点值得注意：

触发脉冲严格控制在20us，既满足模块要求又不会过长
测量间隔大于60ms，避免上次测量的回波干扰
使用printf重定向输出调试信息，方便观察数据
加入超时判断，防止因物体超出量程导致程序卡死

6. 常见问题与解决方法

在实际调试中遇到过几个典型问题：

问题1：测量值跳动大解决方法：

在软件中加入滑动平均滤波（如取最近5次测量的平均值）
确保电源稳定，我在VCC脚加了100uF电容后明显改善
检查物体表面是否平整，粗糙表面会导致回波散射

问题2：短距离测量不准原因：HC-SR04有2cm左右的盲区解决方法：

程序中对小于3cm的结果直接过滤
改用盲区更小的US-015模块（约0.5cm）

问题3：高温环境下异常原因：温度超过DS18B20量程（-55~125℃）解决方法：

加入温度范围检查，超限时使用默认声速
改用防水型的DS18B20探头

7. 进阶应用示例

基于这个基础框架，可以扩展很多实用功能。比如我在智能小车上实现的自动避障：

void Auto_Avoidance(void) { Get_Distance(); // 获取前方距离 if(hcsr04.distance < 20.0) { // 20cm内障碍物 Stop_Car(); HAL_Delay(500); Turn_Right(90); // 右转90度 Get_Distance(); // 再次测距 if(hcsr04.distance < 30.0) { // 右侧也有障碍 Turn_Left(180); // 掉头 } } else { Move_Forward(); // 安全距离，继续前进 } }

这个简单的逻辑配合超声波模块，就能实现基本的避障功能。如果需要更复杂的应用，可以结合多路超声波模块实现环境建模。