基于STM32标准库3.5的小车超声波避障程序

一、系统概述

基于STM32标准库3.5实现小车超声波避障功能，通过HC-SR04超声波模块检测前方障碍物距离，结合L298N电机驱动模块控制小车转向/停止，实现自主避障。核心功能包括：超声波测距、距离阈值判断、电机PWM调速与转向控制。

二、硬件设计

2.1 核心组件

模块	型号/参数	功能说明
主控	STM32F103C8T6（库3.5）	系统控制、测距计算、电机驱动
超声波	HC-SR04	测距（2cm~400cm，精度±3mm）
电机驱动	L298N	驱动2路直流电机（正转/反转/调速）
电机	2路直流减速电机（6V）	小车动力（左/右轮）
电源	7.4V锂电池+LM7805（5V）	为STM32、超声波、L298N供电

2.2 硬件连接

模块	引脚（STM32）	说明
HC-SR04	Trig → PA0	触发信号（输出，高电平≥10us）
	Echo → PA1	回响信号（输入，高电平持续时间=距离×2/声速）
L298N	IN1 → PB0	左电机正转控制
	IN2 → PB1	左电机反转控制
	IN3 → PB5	右电机正转控制
	IN4 → PB6	右电机反转控制
	ENA → PA6（TIM3_CH1）	左电机PWM调速（TIM3输出）
	ENB → PA7（TIM3_CH2）	右电机PWM调速（TIM3输出）

三、软件设计（STM32标准库3.5）

3.1 核心原理

1. 超声波测距：

   • Trig引脚发送10us高电平触发测距；

   • Echo引脚接收高电平，用定时器捕获高电平持续时间t；

   • 距离d = (t × 340m/s) / 2 = t × 0.017cm/us（声速340m/s=0.034cm/us，除以2为往返距离）。

2. 避障逻辑：

• 距离d > 30cm：前进（左右电机正转，PWM占空比70%）；

• 20cm ≤ d ≤ 30cm：减速前进（PWM占空比50%）；

• 10cm ≤ d < 20cm：左转（左电机停，右电机正转）；

• d < 10cm：右转（右电机停，左电机正转）；

• 超时（无回响）：停止并后退（左右电机反转）。

3.2 程序结构

/* 头文件与宏定义 */
#include "stm32f10x.h"
#define TRIG_PIN    GPIO_Pin_0
#define TRIG_PORT   GPIOA
#define ECHO_PIN    GPIO_Pin_1
#define ECHO_PORT   GPIOA
#define LEFT_FWD    GPIO_Pin_0, GPIOB  // IN1
#define LEFT_REV    GPIO_Pin_1, GPIOB  // IN2
#define RIGHT_FWD   GPIO_Pin_5, GPIOB  // IN3
#define RIGHT_REV   GPIO_Pin_6, GPIOB  // IN4
#define ENA_PIN     GPIO_Pin_6, GPIOA  // TIM3_CH1
#define ENB_PIN     GPIO_Pin_7, GPIOA  // TIM3_CH2
#define DISTANCE_THRESHOLD_NEAR 10   // 近距阈值（cm）
#define DISTANCE_THRESHOLD_MID   20   // 中距阈值（cm）
#define DISTANCE_THRESHOLD_FAR   30   // 远距阈值（cm）

/* 函数声明 */
void RCC_Configuration(void);    // 时钟配置
void GPIO_Configuration(void);   // GPIO配置
void TIM3_PWM_Init(u16 arr, u16 psc);  // TIM3 PWM初始化（电机调速）
void Ultrasonic_Trigger(void);   // 触发超声波测距
u16 Ultrasonic_GetDistance(void); // 获取距离（cm）
void Motor_Control(u8 left, u8 right); // 电机控制（0=停，1=正转，2=反转，PWM占空比）
void Delay_us(u32 us);            // 微秒延时
void Delay_ms(u32 ms);            // 毫秒延时

3.3 核心代码实现

3.3.1 时钟与GPIO配置

void RCC_Configuration(void) {
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB | 
                          RCC_APB2Periph_AFIO | RCC_APB2Periph_TIM1, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);  // TIM3时钟（PWM）
}

void GPIO_Configuration(void) {
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    
    // 超声波Trig（PA0，推挽输出）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = TRIG_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(TRIG_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // 超声波Echo（PA1，上拉输入）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = ECHO_PIN;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU;
    GPIO_Init(ECHO_PORT, &GPIO_InitStructure);
    
    // 电机控制引脚（PB0/PB1/PB5/PB6，推挽输出）
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure);
    
    // 初始状态：电机停
    GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_Pin_0 | GPIO_Pin_1 | GPIO_Pin_5 | GPIO_Pin_6);
}

3.3.2 超声波测距函数

// 触发测距（发送10us高电平）
void Ultrasonic_Trigger(void) {
    GPIO_SetBits(TRIG_PORT, TRIG_PIN);
    Delay_us(15);  // 10~20us触发
    GPIO_ResetBits(TRIG_PORT, TRIG_PIN);
}

// 获取距离（cm），超时返回0
u16 Ultrasonic_GetDistance(void) {
    u32 timeout = 0;
    u16 distance = 0;
    
    Ultrasonic_Trigger();  // 触发测距
    
    // 等待Echo变高（启动计时）
    while (GPIO_ReadInputDataBit(ECHO_PORT, ECHO_PIN) == RESET) {
        timeout++;
        if (timeout > 10000) return 0;  // 超时（无回响）
        Delay_us(1);
    }
    
    // 测量Echo高电平持续时间（us）
    u32 t = 0;
    while (GPIO_ReadInputDataBit(ECHO_PORT, ECHO_PIN) == SET) {
        t++;
        Delay_us(1);
        if (t > 30000) {  // 最大测距4m（约23500us），超时返回0
            t = 0;
            break;
        }
    }
    
    // 计算距离：d = t × 0.017cm/us（声速340m/s=0.034cm/us，除以2）
    distance = t * 0.017;
    return (distance > 400) ? 400 : distance;  // 限幅400cm
}

3.3.3 电机PWM控制（TIM3）

// TIM3 PWM初始化（arr=周期，psc=预分频，控制PWM频率=72MHz/(psc+1)/(arr+1)）
void TIM3_PWM_Init(u16 arr, u16 psc) {
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;
    
    // 时基配置
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = arr;  // 自动重装载值
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = psc;  // 预分频系数
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);
    
    // PWM模式配置（通道1：PA6，通道2：PA7）
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 0;  // 初始占空比0
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  // 通道1（ENA）
    TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);  // 通道2（ENB）
    
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);  // 使能TIM3
    TIM_CtrlPWMOutputs(TIM3, ENABLE);  // 高级定时器需使能，此处F103C8T6无需
}

// 设置电机PWM占空比（0~100%）
void Motor_PWM_Set(u8 channel, u8 duty) {
    u16 pulse = (TIM3->ARR + 1) * duty / 100;  // 计算脉冲值
    if (channel == 1) TIM_SetCompare1(TIM3, pulse);  // 左电机（ENA）
    if (channel == 2) TIM_SetCompare2(TIM3, pulse);  // 右电机（ENB）
}

3.3.4 电机控制与避障逻辑

// 电机控制：left/right=0(停)/1(正转)/2(反转)，duty=占空比（0~100）
void Motor_Control(u8 left, u8 right, u8 duty) {
    // 左电机
    if (left == 0) {  // 停
        GPIO_ResetBits(GPIOB, LEFT_FWD);
        GPIO_ResetBits(GPIOB, LEFT_REV);
    } else if (left == 1) {  // 正转
        GPIO_SetBits(GPIOB, LEFT_FWD);
        GPIO_ResetBits(GPIOB, LEFT_REV);
    } else if (left == 2) {  // 反转
        GPIO_ResetBits(GPIOB, LEFT_FWD);
        GPIO_SetBits(GPIOB, LEFT_REV);
    }
    
    // 右电机
    if (right == 0) {  // 停
        GPIO_ResetBits(GPIOB, RIGHT_FWD);
        GPIO_ResetBits(GPIOB, RIGHT_REV);
    } else if (right == 1) {  // 正转
        GPIO_SetBits(GPIOB, RIGHT_FWD);
        GPIO_ResetBits(GPIOB, RIGHT_REV);
    } else if (right == 2) {  // 反转
        GPIO_ResetBits(GPIOB, RIGHT_FWD);
        GPIO_SetBits(GPIOB, RIGHT_REV);
    }
    
    // 设置PWM占空比
    Motor_PWM_Set(1, duty);  // 左电机
    Motor_PWM_Set(2, duty);  // 右电机
}

// 主避障逻辑
void Obstacle_Avoidance(void) {
    u16 distance = Ultrasonic_GetDistance();
    if (distance == 0) {  // 超时（无回响）
        Motor_Control(2, 2, 50);  // 后退
        Delay_ms(500);
        Motor_Control(0, 0, 0);   // 停
    } else if (distance < DISTANCE_THRESHOLD_NEAR) {  // <10cm：右转
        Motor_Control(1, 0, 60);  // 左电机正转，右电机停
        Delay_ms(300);
    } else if (distance < DISTANCE_THRESHOLD_MID) {  // 10~20cm：左转
        Motor_Control(0, 1, 60);  // 左电机停，右电机正转
        Delay_ms(300);
    } else if (distance < DISTANCE_THRESHOLD_FAR) {  // 20~30cm：减速前进
        Motor_Control(1, 1, 50);  // 双电机正转，50%占空比
    } else {  // >30cm：前进
        Motor_Control(1, 1, 70);  // 双电机正转，70%占空比
    }
}

3.3.5 主函数

int main(void) {
    RCC_Configuration();    // 时钟配置
    GPIO_Configuration();   // GPIO配置
    TIM3_PWM_Init(999, 71);  // TIM3初始化：72MHz/(71+1)=1MHz，周期=1000us（1ms），PWM频率1kHz
    
    while (1) {
        Obstacle_Avoidance();  // 避障逻辑
        Delay_ms(100);         // 每100ms测距一次
    }
}

四、关键函数补充（延时函数）

// 微秒延时（基于SysTick，需先配置SysTick时钟）
void Delay_us(u32 us) {
    SysTick->LOAD = 72 * us;  // 72MHz时钟，1us=72个周期
    SysTick->VAL = 0x00;     // 清空计数器
    SysTick->CTRL = 0x00000005;  // 使能SysTick，无中断
    while (!(SysTick->CTRL & 0x00010000));  // 等待计数完成
    SysTick->CTRL = 0x00000004;  // 关闭SysTick
}

// 毫秒延时
void Delay_ms(u32 ms) {
    while (ms--) Delay_us(1000);
}

参考代码 基于stm32库3.5编写的小车超声波避障程序 www.youwenfan.com/contentcss/56282.html

五、调试与优化

1. 超声波测距校准 ：用直尺测量实际距离，调整0.017系数（如实际2cm时测得1.8cm，系数改为0.019）；

2. 电机转向测试：单独测试IN1/IN2/IN3/IN4电平，确保正转/反转方向正确；

3. 避障阈值调整 ：根据小车速度调整DISTANCE_THRESHOLD，避免急转；

4. 抗干扰：Echo引脚加10kΩ下拉电阻，减少环境噪声影响。

六、总结

本程序基于STM32标准库3.5实现了超声波避障小车，核心是超声波测距+电机PWM控制+阈值避障逻辑。通过模块化设计（测距、电机、控制分离），便于移植和扩展（如添加红外避障、蓝牙遥控）。