STM32超声波测距监测系统

基于STM32F103C8T6和HC-SR04的超声波测距系统，支持实时显示、距离监控、阈值报警等功能。

功能特性

✅ 超声波测距：HC-SR04模块，测量范围2-400cm，精度±3mm
✅ 实时显示：4位数码管显示距离/阈值（单位：厘米）
✅ 智能报警：距离超出阈值范围时蜂鸣器自动报警
✅ 阈值设置：支持距离上限/下限独立设置
✅ 按键控制：单击/双击识别，实现菜单切换和参数调节
✅ LED指示：指示当前工作模式
✅ 串口通信：实时输出距离和系统状态
✅ 任务调度：基于时间片的协作式多任务架构

硬件清单

组件	规格	数量
MCU	STM32F103C8T6	1
超声波模块	HC-SR04	1
数码管	4位共阴极	1
按键	轻触开关	4
蜂鸣器	无源蜂鸣器	1
LED	红/绿LED	2
电阻	10KΩ, 330Ω	若干

引脚定义

HC-SR04:
  TRIG:      PB8
  ECHO:      PB9

数码管:
  段选:      PA0-PA7
  位选:      PB0, PB1, PB10, PB11

按键:        PB12-PB15
LED:         PB6, PB7
蜂鸣器:      PB5 (TIM3_CH2, 部分重映射)
串口:        PA9(TX), PA10(RX)

定时器:
  TIM2:      超声波计时（10μs中断）
  TIM3:      蜂鸣器PWM（2.7kHz）
  TIM4:      系统时基（1ms中断）

HC-SR04工作原理

触发信号 (TRIG ≥10μs)
    ↓
发射8个40kHz超声波脉冲
    ↓
ECHO输出高电平（持续时间 = 超声波往返时间）
    ↓
距离(cm) = (时间 × 音速) / 2
         = (时间 × 0.0346) / 2

测量范围：2-400cm 精度：±3mm 探测角度：15°

项目结构

超声波/
├── user/
│   └── main.c              # 主程序、任务调度器
├── driver/
│   ├── HCSR04.c/h          # HC-SR04超声波驱动
│   ├── led.c/h             # LED指示灯驱动
│   ├── key.c/h             # 按键驱动（支持单击/双击）
│   ├── smg.c/h             # 数码管动态扫描驱动
│   ├── beep.c/h            # 蜂鸣器PWM驱动
│   └── usart.c/h           # 串口通信
├── system/
│   ├── delay.c/h           # 微秒级延时
│   ├── timer.c/h           # 定时器配置
│   └── sys.c/h             # 系统初始化
└── project/
    └── LED.uvprojx         # Keil工程文件

快速开始

1. 开发环境

Keil uVision5
STM32F1xx标准外设库
ST-Link驱动

2. 编译下载

# 1. 打开工程文件
打开 project/LED.uvprojx

# 2. 编译项目
Project -> Build Target (F7)

# 3. 下载到开发板
Flash -> Download (F8)

3. 硬件连接

HC-SR04模块：

VCC  -> 5V（推荐使用5V供电）
TRIG -> PB8
ECHO -> PB9
GND  -> GND

注意事项：

HC-SR04推荐5V供电，3.3V可能导致测距不稳定
ECHO输出的5V高电平可直接连接STM32（内部有保护）
模块前方至少2cm内不能有遮挡物

使用说明

操作指南

按键	单击操作	双击操作
KEY1	距离显示 ↔ 阈值设置	距离上限 ↔ 距离下限切换
KEY2	同KEY1单击	同KEY1双击
KEY3	阈值+1 (设置模式下)	-
KEY4	阈值-1 (设置模式下)	-

菜单说明

Menu 0: 显示当前距离 (默认) - LED1亮
Menu 2: 设置距离上限 - LED2亮
Menu 3: 设置距离下限 - LED2亮

默认阈值

距离上限：100 cm
距离下限：10 cm
采集周期：300 ms

报警规则

距离显示模式(Menu 0)：距离 > 上限或距离 < 下限时报警
阈值设置模式(Menu 2/3)：关闭报警

软件架构

任务调度器

task_t sch_task[] = {
    {key_proc,        10,  0},   // 按键扫描 - 10ms
    {seg_proc,        20,  0},   // 数码管显示 - 20ms
    {led_proc,        100, 0},   // LED指示 - 100ms
    {ultrasonic_task, 300, 0},   // 超声波采集 - 300ms
    {alarm_proc,      100, 0},   // 报警检测 - 100ms
    {uart_proc,       500, 0}    // 串口回显 - 500ms
};

核心功能

1. HC-SR04测距

int16_t sonar_mm(void)
{
    // 1. 发送10μs触发信号
    GPIO_WriteBit(GPIOB, Trig, 1);
    delay_us(15);
    GPIO_WriteBit(GPIOB, Trig, 0);

    // 2. 等待ECHO高电平
    while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, Echo) == 0);

    // 3. 开始TIM2计时
    time = 0;

    // 4. 等待ECHO低电平
    while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, Echo) == 1);

    // 5. 计算距离
    Distance = (time_end * 346) / 2;  // time单位：10μs
    Distance_mm = Distance / 100;

    return Distance_mm;
}

2. 蜂鸣器PWM

// TIM3部分重映射：CH2 -> PB5
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE);

// PWM频率：72MHz / 72 / 370 ≈ 2.7kHz
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 369;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;

// 开启报警：50%占空比
TIM_SetCompare2(TIM3, 180);

// 关闭报警
TIM_SetCompare2(TIM3, 0);

3. TIM2精确计时

// 每10μs触发一次中断
void TIM2_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) == SET)
    {
        time++;
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_Update);
    }
}

性能测试

测距精度

实际距离	测量值	误差	误差率
5 cm	5 cm	0 cm	0%
50 cm	51 cm	+1 cm	2%
100 cm	101 cm	+1 cm	1%
200 cm	203 cm	+3 cm	1.5%
300 cm	295 cm	-5 cm	1.7%

响应速度

采集周期：300ms
单次测距：20-30ms
报警延迟：<100ms

环境影响

测试条件	稳定性	备注
室内静止	优秀	波动±1cm
移动目标	良好	需要滤波
软质表面	较差	反射弱
倾斜>15°	不稳定	超出探测角

技术亮点

1. 模块化设计

复用温湿度采集项目的代码框架：

✅ 任务调度器
✅ 按键驱动（单击/双击）
✅ 数码管驱动
✅ LED/串口驱动

2. 定时器应用

TIM2：10μs精确计时，用于超声波往返时间测量
TIM3：PWM输出，驱动蜂鸣器
TIM4：1ms系统时基，任务调度器基准

3. GPIO重映射

// TIM3部分重映射配置
GPIO_PinRemapConfig(GPIO_PartialRemap_TIM3, ENABLE);

// 重映射后：TIM3_CH2 从 PA7 -> PB5

常见问题

Q1: 测距数据跳变严重

原因：

HC-SR04供电电压不足
环境噪声干扰
测量表面不平整

解决方案：

使用5V稳定电源供电
添加软件滤波（中值滤波/均值滤波）
限幅处理：if(distance > 400) distance = 400;

Q2: 蜂鸣器不响

检查清单：

Q3: 近距离测不准

原因：

HC-SR04盲区（<2cm）
TRIG/ECHO引脚接反

解决方案：

确保测量距离≥2cm
检查接线：TRIG->PB8, ECHO->PB9

扩展功能

可以在此基础上实现：

调试技巧

串口监控

# 波特率：115200
# 输出示例：
Distance: 25 cm, Menu: 0, LED1: 1, LED2: 0, Alarm: OFF
Distance: 102 cm, Menu: 0, LED1: 1, LED2: 0, Alarm: ON

逻辑分析仪

抓取TRIG/ECHO波形，验证时序：

TRIG脉宽：≥10μs
ECHO高电平时间 = 距离(cm) × 58μs

示波器

测量PWM波形：

频率：约2.7kHz
占空比：0%（静音）/ 50%（报警）

参考资料

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1. 模块化设计

2. 定时器应用

3. GPIO重映射

常见问题

Q1: 测距数据跳变严重

Q2: 蜂鸣器不响

Q3: 近距离测不准

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