実験1　超音波センサーのデータ取得実験

実験の目的：

超音波センサーの基本的な動作原理と、超音波センサーのデータ取得方法を習得します。
STM32のGPIOピンと割り込みの使い方を習得します。
STM32CubeMX で新規プロジェクトを作成し、MDK_ARMプロジェクトファイルを生成できるようにします。4. プロジェクトのテストを行います。

超音波による距離検出の原理：

超音波センサーは、超音波を利用して距離測定や物体検出を行うデバイスです。主な動作原理は次のステップから成ります。

超音波の送信

送信器：超音波センサーには超音波送信器が内蔵されており、通常は圧電素子が使われています。

信号の生成：送信器は電気信号を受け取ると高周波の音波（通常20kHz以上）を発生させ、これが波として外部へ伝わります。

超音波の伝搬

伝搬媒体：超音波は空気中を約343 m/s（常温時）の速度で伝わります。

反射：超音波は障害物（物体の表面など）に当たると反射します。

超音波の受信

受信器：超音波センサーには受信器が内蔵されており、通常これも圧電素子です。

信号の受信：受信器は反射してきた超音波信号を捉え、電気信号に変換します。

距離の計算

時間の測定：センサーは、超音波を送信してから反射信号を受信するまでの時間（T）を測定します。

距離の計算：次の式により、

物体とセンサー間の距離を計算します。式中の「2」は、信号の伝搬時間に往路と復路の両方が含まれるためです。

また、速度の単位を cm/マイクロ秒に換算する必要があるため、最終的な距離の式は次のようになります。

D = 344 × 10² × 10⁻⁶ × t / 2 = 0.0172t ≈ t/58（t はマイコンが検出した、超音波プローブの送信から受信までの時間間隔）

機能要件：

超音波モジュールと障害物との間の距離データを取得します。

ハードウェアの準備：

STM32メインボード V1.3 * 1、ST-Linkダウンロードケーブル * 1、3Sバッテリーボックス * 1、リチウム電池 * 3、超音波センサー * 1、USBデータケーブル * 1

回路接続：

ハードウェアモジュール

ヒント：ハードウェアおよびソフトウェア環境の設定

UNI-STM32開発ボード【V1.3】の紹介

UNI-STM32開発環境の設定【V2.0】

バッテリーおよび電源モジュール使用上の注意（必読）

電子モジュールの紹介

ピンの説明

ハードウェア	メインボードのピン
超音波センサー1	TRIG:PA4 ECHO:PB9

実物の配線

ソフトウェア設計：

プロジェクトのダウンロード

ソースコードのリンク：（HumansX サポートより提供）

リンクをクリックしてダウンロードし、解凍してからご覧ください。複数の超音波センサーのデータを取得するプログラムが含まれています。本節では、1つの超音波センサーのデータを取得する方法を説明します。

プログラムコード

超音波センサー1つの戻り値を取得する主要コード：main.c

/* USER CODE BEGIN Header */
/**
  ******************************************************************************
  * @file           : main.c
  * @brief          : Main program body
  ******************************************************************************
  * @attention
  *
  * Copyright (c) 2025 STMicroelectronics.
  * All rights reserved.
  *
  * This software is licensed under terms that can be found in the LICENSE file
  * in the root directory of this software component.
  * If no LICENSE file comes with this software, it is provided AS-IS.
  *
  ******************************************************************************
  */
/* USER CODE END Header */
/* Includes ------------------------------------------------------------------*/
#include "main.h"
#include "tim.h"
#include "usart.h"
#include "gpio.h"

/* Private includes ----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN Includes */
#include "ultrasonic.h"
/* USER CODE END Includes */

/* Private typedef -----------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PTD */

/* USER CODE END PTD */

/* Private define ------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PD */

/* USER CODE END PD */

/* Private macro -------------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN PM */

/* USER CODE END PM */

/* Private variables ---------------------------------------------------------*/

/* USER CODE BEGIN PV */

/* USER CODE END PV */

/* Private function prototypes -----------------------------------------------*/
void SystemClock_Config(void);
/* USER CODE BEGIN PFP */

/* USER CODE END PFP */

/* Private user code ---------------------------------------------------------*/
/* USER CODE BEGIN 0 */

/* USER CODE END 0 */

/**
  * @brief  The application entry point.
  * @retval int
  */
int main(void)
{

  /* USER CODE BEGIN 1 */

  /* USER CODE END 1 */

  /* MCU Configuration--------------------------------------------------------*/

  /* Reset of all peripherals, Initializes the Flash interface and the Systick. */
  HAL_Init();

  /* USER CODE BEGIN Init */

  /* USER CODE END Init */

  /* Configure the system clock */
  SystemClock_Config();

  /* USER CODE BEGIN SysInit */

  /* USER CODE END SysInit */

  /* Initialize all configured peripherals */
  MX_GPIO_Init();
  MX_TIM1_Init();
  MX_USART1_UART_Init();
  /* USER CODE BEGIN 2 */
  Hcsr04Init(&htim1, TIM_CHANNEL_1);   //Ultrasonic1 init
  Hcsr04Start(1);                      //Ultrasonic1 init
  printf("ultrasonic start!\r\n");
  HAL_Delay(1000);
  /* USER CODE END 2 */

  /* Infinite loop */
  /* USER CODE BEGIN WHILE */
  while (1)
  {
    Hcsr04Start(1);                    //ultrasonic 1 start
    float distance1 = Hcsr04Read(1);   //get ultrasonic 1 distance
    printf("ultrasonic distance1: %.1f cm\r\n", distance1);  //print ultrasonic1 distance
    HAL_Delay(30);
    /* USER CODE END WHILE */

    /* USER CODE BEGIN 3 */
  }
  /* USER CODE END 3 */
}

/**
  * @brief System Clock Configuration
  * @retval None
  */
void SystemClock_Config(void)
{
  RCC_OscInitTypeDef RCC_OscInitStruct = {0};
  RCC_ClkInitTypeDef RCC_ClkInitStruct = {0};

  /** Configure the main internal regulator output voltage
  */
  __HAL_RCC_PWR_CLK_ENABLE();
  __HAL_PWR_VOLTAGESCALING_CONFIG(PWR_REGULATOR_VOLTAGE_SCALE1);

  /** Initializes the RCC Oscillators according to the specified parameters
  * in the RCC_OscInitTypeDef structure.
  */
  RCC_OscInitStruct.OscillatorType = RCC_OSCILLATORTYPE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.HSEState = RCC_HSE_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLState = RCC_PLL_ON;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLSource = RCC_PLLSOURCE_HSE;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLM = 4;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLN = 84;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLP = RCC_PLLP_DIV2;
  RCC_OscInitStruct.PLL.PLLQ = 4;
  if (HAL_RCC_OscConfig(&RCC_OscInitStruct) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }

  /** Initializes the CPU, AHB and APB buses clocks
  */
  RCC_ClkInitStruct.ClockType = RCC_CLOCKTYPE_HCLK|RCC_CLOCKTYPE_SYSCLK
                              |RCC_CLOCKTYPE_PCLK1|RCC_CLOCKTYPE_PCLK2;
  RCC_ClkInitStruct.SYSCLKSource = RCC_SYSCLKSOURCE_PLLCLK;
  RCC_ClkInitStruct.AHBCLKDivider = RCC_SYSCLK_DIV1;
  RCC_ClkInitStruct.APB1CLKDivider = RCC_HCLK_DIV2;
  RCC_ClkInitStruct.APB2CLKDivider = RCC_HCLK_DIV1;

  if (HAL_RCC_ClockConfig(&RCC_ClkInitStruct, FLASH_LATENCY_2) != HAL_OK)
  {
    Error_Handler();
  }
}

/* USER CODE BEGIN 4 */

void HAL_TIM_IC_CaptureCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    Hcsr04TimIcIsr(htim);
}

void HAL_TIM_PeriodElapsedCallback(TIM_HandleTypeDef *htim)
{
    Hcsr04TimOverflowIsr(htim);
}
/* USER CODE END 4 */

/**
  * @brief  This function is executed in case of error occurrence.
  * @retval None
  */
void Error_Handler(void)
{
  /* USER CODE BEGIN Error_Handler_Debug */
  /* User can add his own implementation to report the HAL error return state */
  __disable_irq();
  while (1)
  {
  }
  /* USER CODE END Error_Handler_Debug */
}

#ifdef  USE_FULL_ASSERT
/**
  * @brief  Reports the name of the source file and the source line number
  *         where the assert_param error has occurred.
  * @param  file: pointer to the source file name
  * @param  line: assert_param error line source number
  * @retval None
  */
void assert_failed(uint8_t *file, uint32_t line)
{
  /* USER CODE BEGIN 6 */
  /* User can add his own implementation to report the file name and line number,
     ex: printf("Wrong parameters value: file %s on line %d\r\n", file, line) */
  /* USER CODE END 6 */
}
#endif /* USE_FULL_ASSERT */

操作手順：

全体の流れ：

(1) STM32CubeMXでピン割り当てと周辺機能の初期化設定を行い、設定コードを生成します。

(2) keil5でMDK_ARMプロジェクトファイルを開き、コードの編集・コンパイル・デバッグを行います。

基本パラメータ：

本ドキュメントの（ハードウェアモジュール）に従って開発環境を設定した後の基本パラメータは次のとおりです。

ソフトウェアバージョン：STM32CubeMX V6.14.0

ハードウェアプラットフォーム：STM32F407IGT6

コンパイル環境：MDK_ARM V5.3.2

デバッグツール：ST-LINK/V2

1. 新規プロジェクトの作成とMCUの設定

1.1 MCUの選択

STM32CubeMX を起動し、File > New Project をクリックします。

2. MCU の絞り込み条件を設定して STM32F407IGT6 を選択し、型番の列をクリックしてから、Start Project をクリックしてプロジェクトの設定を開始します。

プロジェクト設定画面は次のとおりです。

1.2 クロック設定とコア設定

Pinout & Configuration の System Core で、RCC（リセットおよびクロック制御） をクリックします。

HSE クロックソースを Crystal/Ceramic Resonator（水晶振動子またはセラミック発振子）に設定します。

設定に成功すると、対応するピン（OSC_IN と OSC_OUT）が自動的に設定されます（下図の緑色の部分を参照）。

機能：

外部高速水晶発振器（HSE）を接続し、システムに高精度なクロック源を供給します。

**RCC_OSC_IN**：水晶入力ピン。

**RCC_OSC_OUT**：水晶出力ピン（フィードバック信号）。

デフォルト機能：

**PH0**：**OSC_IN**（外部水晶入力）。

**PH1**：**OSC_OUT**（外部水晶出力）。

デバッグインターフェースのピンを設定します。System Core で SYS をクリックし、Debug モードを Serial Wire に設定します。

設定が完了すると、対応するピン出力（pinout）が緑色になります。

緑色の部分をクリックすると、詳細を確認できます。

1.3 クロックツリーの設定

次の順序でクロックパラメータを設定します。1. input frequency の値を 8 に変更、2. HSE を選択、3. PLLCLK を選択、4. HCLK の値を 84 に変更。その他のパラメータはデフォルトのままで構いません。

ヒント：設定時にはエラーが自動的に検出されます。周波数の設定が誤っている場合は、赤くハイライトされてエラーが表示されます。

2. MCU初期化パラメータの設定

2.1 USARTシリアルポートの設定

PA9 と PA10 を USART1_TX と USART1_RX に設定します。GPIOをクリックし、ピンを設定します（この時点ではUSART1が未設定のため、ピンに黄色の警告が表示されます）。

Connectivity → USART1 をクリックし、モードを Asynchronous に設定します（USART1の設定後、関連ピンが緑色で表示され、ピン設定が正常であることを示します）。

2.2 プロジェクト管理の設定

デフォルトの画面は次のとおりです。

プロジェクト名を入力します（任意に設定してください）。

プロジェクトの保存先を選択します（Cドライブには保存しないでください）。

コンパイル環境として MDK_ARM を選択します。

バージョン V5.3.2 を選択します。

ファームウェアパッケージ名とバージョン。

（ヒント：デフォルトでは Use latest available version にチェックが入っています。ただし、PCに最新バージョンがない場合はエラーになるため、パッケージを各自でダウンロードしてローカルにインストールする必要があります。インストール方法は下記リンクを参照してください。

UNI-STM32開発環境の設定【V2.0】（リンク先の「6. よくある設定Q&A」のQ3に解決方法があります）

上記の設定が完了すると、下図のようになります。

2.Project Mannager > Code Generator ウィンドウを次のように設定します。

3.Project Mannager > Advanced Settings ウィンドウで、HAL ライブラリを選択します。

プロジェクトを保存します：File → Save Project をクリックします。

3. GPIO設定：超音波センサーのパラメータ

超音波センサーのピン	機能	User Label
PA4	出力	TRIG1
PA8	TIM1_CH1	echo 1

GPIOをクリックし、画面下部で PA4 を検索すると、ピンビュー上の PA4 が点滅します。

PA4 を左クリックし、GPIO_output を選択します。

User Label を設定します：設定一覧で PA4 の行をダブルクリックし、GPIO mode 右側のドロップダウンから Output Push Pull を選択して、User Label に TRIG1 と入力します。

PA8 のパラメータ設定。

(1) 画面下部で PA8 を検索すると、ピンビュー上の PA8 が点滅します。PA8 を左クリックし、TIM1_CH1 を選択します。

PA8 を右クリックして Enter User Label を開き、Echo 1 と入力して User Label を変更します。

(2) タイマーと割り込みの設定。

TIM1 をクリックし、Channel のドロップダウンから Input Capture direct mode を選択します。

NVIC Settings をクリックし、Enabled にチェックを入れます。

プロジェクトファイルを再度保存します。

ヒント：プロジェクトファイルは必ず再度保存してください（主にパラメータを保存するためです）。File → Save Project をクリックします。

4. コードの生成

1. GENERATE CODE をクリックしてコードを生成します。

コードが自動生成されます。

コードの生成に成功しました。

5. ユーザーコードの追加

上記で生成したフレームワークをもとに、keilエディタでユーザーコードを追加し、コンパイル・デバッグを行います。

ヒント1：例えば main.c の /* USER CODE BEGIN xx */ と /* USER CODE END xx */ の間にユーザーコードを追加します。

ヒント2：.c ファイルを独自に作成することもできます。

ヒント3：ユーザーコードは自分で記述しても構いません。（コード解説）に掲載したサンプルを参考に学習することもできます。

6. コードのダウンロードとテスト

(1) プロジェクトをダウンロードします。ここではデモを用意しています（本ドキュメントの「ソフトウェア設計 → プロジェクトのダウンロード」から直接ダウンロードできます）。

書き込み方法は参考リンク（UNI-STM32開発環境の設定【V2.0】の「5. プログラムのダウンロード」）を参照してください。

(2) メインボードの電源スイッチをオンにし、動作を確認します。

実験結果

シリアルモニターで確認しながら、超音波センサーの前に遮蔽物を置き、その距離を変えていくと、超音波センサーのデータがリアルタイムで取得されます。戻り値はcm単位の距離です。

コード解説

1. ユーザーコードの解説

下図は、プロジェクトファイルに追加したユーザーコードです。

2. ユーザーコードの取り込み方法

1つ目の方法は、ユーザー定義ファイル（.c や .h など）を自分のプロジェクトフォルダに取り込み、keil5 IDEで .c ファイルを追加してコンパイルする方法です。

既存のユーザーファイルの取り込み：keilで既存のユーザーファイルを取り込む方法を参照してください。

2つ目の方法は、main.c ファイルにユーザーコードを追加する方法です。

(1) まず参考プロジェクトのコードを開きます。main.c ファイルは主にSTM32CubeMXによって自動生成されたものです。このフレームワークをもとに実現したい機能を追加・補完します。具体的には /* USER xx で始まり、終わる部分のコードを確認してください。下図の赤で示した部分が追加したユーザーコードです。

(2) 上記の赤で示したコードを自分のプロジェクトの main.c にコピーし、コンパイル・書き込みを行って動作を確認します。

複数の超音波センサーの例

事例	配線
2つの超音波センサーのデータを取得	配線図
	動作デモ
3つの超音波センサーのデータを取得	配線図
	動作デモ
4つの超音波センサーのデータを取得	配線図
	動作デモ

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ピンの説明

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ソフトウェア設計：

プロジェクトのダウンロード

プログラムコード

操作手順：

基本パラメータ：

1. 新規プロジェクトの作成とMCUの設定

1.1 MCUの選択

1.2 クロック設定とコア設定

1.3 クロックツリーの設定

2. MCU初期化パラメータの設定

2.1 USARTシリアルポートの設定

2.2 プロジェクト管理の設定

3. GPIO設定：超音波センサーのパラメータ

4. コードの生成

5. ユーザーコードの追加

6. コードのダウンロードとテスト

実験結果

コード解説

1. ユーザーコードの解説

2. ユーザーコードの取り込み方法

複数の超音波センサーの例

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