基于STM32的超声波测距仪设计

引言

本项目将基于STM32微控制器设计一个超声波测距仪，通过超声波传感器实现距离测量，并将结果显示在液晶屏上。该项目展示了STM32微控制器与超声波传感器、LCD显示器的接口通信，以及信号处理和距离计算的过程。

环境准备

1. 硬件设备

STM32F103C8T6 开发板（或其他 STM32 系列）
超声波传感器模块（如 HC-SR04）
1602 LCD 显示屏（I2C 或并行接口）
USB-TTL 串口调试工具
面包板和杜邦线

2. 软件工具

STM32CubeMX：用于初始化 STM32 外设。
Keil uVision 或 STM32CubeIDE：用于编写和下载代码。
ST-Link 驱动程序：用于下载程序到 STM32。

项目实现

1. 硬件连接

将 HC-SR04 超声波传感器的 VCC 接到 STM32 的 5V 电源，GND 接到地。
将 HC-SR04 的 Trig 引脚连接到 STM32 的 GPIO 引脚（如 PA1），Echo 引脚连接到另一个 GPIO 引脚（如 PA2）。
将 1602 LCD 的 SDA 和 SCL 引脚连接到 STM32 的 I2C 接口（如 PB6 和 PB7，适用于 I2C 接口的 LCD），或将控制引脚接到 STM32 的其他 GPIO 引脚（适用于并行接口）。

2. STM32CubeMX 配置

打开 STM32CubeMX，选择你的开发板型号。
配置系统时钟为 HSI，以确保 STM32 工作稳定。
在 GPIO 配置中，将 Trig 和 Echo 引脚配置为输出和输入模式。
如果使用 I2C 接口的 LCD，启用 I2C 外设，并配置相关引脚。
生成代码，选择 Keil 或 STM32CubeIDE 作为工具链。

3. 编写主程序

在生成的项目基础上，编写超声波传感器的驱动代码，计算测量距离，并通过 LCD 显示结果。以下是一个基本的超声波测距代码示例：

#include "stm32f1xx_hal.h"
#include "lcd.h"

// 定义超声波引脚
#define TRIG_PIN GPIO_PIN_1
#define TRIG_PORT GPIOA
#define ECHO_PIN GPIO_PIN_2
#define ECHO_PORT GPIOA

// 超声波测距函数
uint32_t UltraSonic_ReadDistance(void)
{
    uint32_t local_time = 0;
    uint32_t distance = 0;
    
    // 发送触发信号
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_SET);
    HAL_Delay(10); // 发送10us脉冲
    HAL_GPIO_WritePin(TRIG_PORT, TRIG_PIN, GPIO_PIN_RESET);
    
    // 等待 ECHO 引脚的上升沿
    while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_RESET);
    
    // 计时
    while (HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_PORT, ECHO_PIN) == GPIO_PIN_SET)
    {
        local_time++;
        HAL_Delay(1); // 每次延时 1 微秒
    }
    
    // 计算距离
    distance = (local_time * 0.034) / 2; // 声波在空气中的速度约为 340m/s，计算公式为时间*声速/2
    
    return distance;
}

int main(void)
{
    HAL_Init();
    SystemClock_Config();
    
    // 初始化 GPIO 和 I2C
    MX_GPIO_Init();
    MX_I2C1_Init();
    
    // 初始化 LCD 显示屏
    LCD_Init();
    LCD_Clear();
    
    uint32_t distance = 0;
    
    while (1)
    {
        // 读取距离
        distance = UltraSonic_ReadDistance();
        
        // 在 LCD 上显示距离
        LCD_SetCursor(0, 0);
        LCD_Print("Distance: ");
        LCD_SetCursor(1, 0);
        LCD_PrintNum(distance);
        LCD_Print(" cm");
        
        HAL_Delay(1000); // 每秒更新一次测量数据
    }
}

4. LCD 显示屏驱动代码

LCD 显示屏的初始化和显示功能可以通过以下代码实现：

#include "lcd.h"
#include "i2c.h"

// 初始化 LCD
void LCD_Init(void)
{
    // LCD 初始化代码，具体依赖于 LCD 模块的型号
    // 使用 I2C 或并行接口进行初始化
}

// 清空显示屏
void LCD_Clear(void)
{
    // 清屏命令
}

// 在指定位置打印文本
void LCD_SetCursor(uint8_t row, uint8_t col)
{
    // 设置光标位置
}

// 打印数字
void LCD_PrintNum(uint32_t num)
{
    char buffer[10];
    sprintf(buffer, "%ld", num);
    LCD_Print(buffer);
}

// 打印字符串
void LCD_Print(char *str)
{
    while (*str)
    {
        // 发送字符到 LCD
        str++;
    }
}

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5. 测距原理

超声波测距的原理是通过发射超声波，测量声波从发射到遇到障碍物反射回来的时间。根据声波在空气中的传播速度，可以通过公式计算出物体的距离：

距离=时间×声速2\text{距离} = \frac{\text{时间} \times \text{声速}}{2}距离=2时间×声速

由于声速在空气中的传播速度约为 340 m/s，我们可以通过测量时间并应用上述公式来计算物体的距离。

常见问题与解决方法

1. 无法正确测量距离

检查超声波传感器的连接是否正确，确保 Trig 和 Echo 引脚没有接反。
确保测量环境没有过多干扰物，避免影响超声波的反射。

2. LCD 显示异常

检查 LCD 的 I2C 地址是否正确，确认 I2C 通信正常。
如果使用并行接口，检查数据线的连接是否可靠。

3. 测量结果不稳定

尝试在测量前加入较长的延时，以确保超声波信号稳定。
尽量减少信号干扰源，确保超声波能够正常传播。

结论

通过本项目，我们成功实现了基于 STM32 的超声波测距仪设计，展示了如何使用 STM32 与超声波传感器进行通信，并通过 LCD 显示测量结果。该系统应用简单而实用，可用于各类距离检测和测量场景。在实际开发中，你还可以扩展更多功能，如加入无线通信模块，实现远程测距等。