第六节:STM32输入捕获实战——超声波测距应用（基于CubeMX与HAL库）
1. 超声波测距原理与硬件连接
超声波测距模块的工作原理其实特别像蝙蝠探路。模块先发射一束超声波，声波遇到障碍物反射回来，模块再接收这个回波。我们只要测量从发射到接收的时间差，就能算出距离。这里有个生活小常识：常温下声速约340m/s，所以距离=（高电平时间×340）/2。为什么要除以2？因为声波走了个来回嘛！
常用的HC-SR04模块有四个引脚：
- VCC接5V电源
- Trig脚接单片机任意GPIO（用来触发测距）
- Echo脚必须接支持输入捕获的定时器引脚（用来测量高电平时间）
- GND接地
这里有个新手容易踩的坑：Echo脚绝对不能随便接普通IO口！我刚开始玩超声波时，用普通GPIO配合外部中断来测脉宽，结果误差大到能测出1米的桌子变成1.5米。后来才发现定时器的输入捕获功能有硬件级的时间戳记录，精度能达到微秒级。
2. CubeMX定时器配置详解
打开CubeMX新建工程时，建议先做三件事：
- 在Pinout视图里把调试用的串口打开（比如USART1）
- 在Clock Configuration里把主频调到最大（F4系列建议168MHz）
- 找到适合的定时器，我常用TIM2或TIM5，因为它们是32位计数器
具体到输入捕获配置：
- 选择TIMx的某个通道（比如TIM5_CH1）
- 模式选择"Input Capture direct mode"
- 分频系数(Prescaler)设为84-1（假设主频84MHz，这样计数器每1MHz计数）
- 自动重装载值(ARR)设为0xFFFFFFFF（32位最大值）
- 捕获极性选"Rising Edge"
- 别忘了开启NVIC中断
有个实用技巧：在Parameter Settings标签页，把"auto-reload preload"设为Enable。这样修改ARR值时不会立即生效，能避免计数异常。
3. HAL库中断处理实战
输入捕获的精髓就在中断处理，先看这个结构体：
uint8_t capture_status = 0; // 状态寄存器 uint32_t capture_value; // 捕获值我用status的bit7表示捕获完成，bit6表示当前是上升沿还是下降沿，bit5~0记录溢出次数。
关键的中断回调函数有两个：
// 定时器溢出中断（用来处理计数器溢出） void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if((capture_status & 0x80) == 0) { // 未完成捕获 if(capture_status & 0x40) { // 正在捕获高电平 if((capture_status & 0x3F) == 0x3F) { // 溢出太多直接标记完成 capture_status |= 0x80; } else { capture_status++; // 溢出次数+1 } } } } // 捕获中断（处理边沿变化） void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim) { if(capture_status & 0x40) { // 之前是上升沿，现在是下降沿 capture_status |= 0x80; // 标记完成 capture_value = HAL_TIM_ReadCapturedValue(htim, TIM_CHANNEL_1); __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_RISING); } else { // 首次捕获上升沿 capture_status = 0x40; // 标记上升沿 __HAL_TIM_SET_COUNTER(htim, 0); // 计数器清零 __HAL_TIM_SET_CAPTUREPOLARITY(htim, TIM_CHANNEL_1, TIM_INPUTCHANNELPOLARITY_FALLING); } }4. 距离计算与误差优化
拿到高电平时间后，距离计算看似简单：
distance = (capture_value * 340) / 2 / 10000; // 单位cm但实际上要考虑三个优化点：
温度补偿：声速随温度变化，可用DS18B20测温后修正：
speed = 331.4 + 0.6 * temperature; // m/s溢出补偿：当高电平时间很长时，要加上溢出时间：
total_time = (capture_status & 0x3F) * 0xFFFFFFFF + capture_value;数字滤波：连续采样5次取中值
int compare(const void *a, const void *b) { return (*(uint32_t*)a - *(uint32_t*)b); } qsort(values, 5, sizeof(uint32_t), compare); median = values[2];
实测发现，在2米范围内误差可以控制在±1cm内。超过3米后建议改用TOF传感器，超声波受环境影响会变大。
5. 串口调试技巧分享
调试时我习惯用printf输出多维数据：
printf("Cnt:%lu | St:0x%02X | Dist:%.2fcm\r\n", capture_value, capture_status, distance);这样能同时看到原始数据和计算结果。
如果发现数据跳动严重，可以：
- 检查Trig信号宽度（建议10us以上）
- 在Echo脚加100nF电容滤波
- 避开电机、继电器等干扰源
有个血的教训：曾经因为没在电源脚加0.1uF去耦电容，测距结果随机跳变，折腾了一整天！
6. 进阶应用——多探头协同
单个超声波模块有探测盲区，我做过一个四探头方案：
- 用TIM1~TIM4分别接四个Echo脚
- 在CubeMX里配置全局同步：
HAL_TIMEx_MasterConfigSynchronization(&htim1, &sMasterConfig); - 采用分时触发策略，避免相互干扰
这样实现的360°测距系统，用在智能小车上效果非常好。关键是要在代码里做好状态机管理，避免多个探头的中断互相抢占。
最后提醒：超声波对玻璃、海绵等材质的物体检测效果较差，这是物理特性决定的。在实际项目中最好结合红外传感器做数据融合。