原標(biāo)題：超聲波測(cè)距DIY設(shè)計(jì)方案

基于HC-SR04模塊和STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板實(shí)現(xiàn)超聲波測(cè)距DIY設(shè)計(jì)方案

一、設(shè)計(jì)背景與目標(biāo)

超聲波測(cè)距技術(shù)廣泛應(yīng)用于距離測(cè)量、避障系統(tǒng)、液位檢測(cè)等領(lǐng)域。HC-SR04模塊是一種常用的超聲波測(cè)距模塊，它通過(guò)發(fā)射超聲波并接收反射回來(lái)的超聲波信號(hào)來(lái)測(cè)量距離。本設(shè)計(jì)將基于STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板和HC-SR04超聲波模塊，通過(guò)編程實(shí)現(xiàn)超聲波的發(fā)射和接收，并通過(guò)STM32的處理能力進(jìn)行計(jì)算，從而得到測(cè)量的距離。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 HC-SR04超聲波模塊

HC-SR04模塊是一款常用的超聲波測(cè)距傳感器，采用了超聲波傳感器原理。它通過(guò)發(fā)射8個(gè)連續(xù)的40KHz頻率的超聲波脈沖，并接收從目標(biāo)物體反射回來(lái)的超聲波信號(hào)來(lái)計(jì)算距離。其主要特點(diǎn)包括：

• 電源電壓： 5V（可通過(guò)穩(wěn)壓模塊轉(zhuǎn)換為3.3V，適配STM32F103ZET6）

• 工作電流： 15mA（工作時(shí)）

• 測(cè)量范圍： 2cm到4m，分辨率約為0.3cm

• 輸出信號(hào)： 返回信號(hào)的時(shí)間與目標(biāo)物體的距離成正比。

在硬件連接中，HC-SR04的Trig引腳控制超聲波的發(fā)射，Echo引腳輸出回波信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。

2.2 STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板

STM32F103ZET6是STMicroelectronics公司生產(chǎn)的32位微控制器，基于ARM Cortex-M3核心，具有強(qiáng)大的處理能力和豐富的外設(shè)資源。其主要特性如下：

• 主頻： 72MHz

• 存儲(chǔ)： 512KB Flash，64KB SRAM

• 輸入輸出： 提供多達(dá)51個(gè)GPIO引腳

• 外設(shè)接口： 支持I2C、SPI、UART、ADC、PWM等多種通信方式

• 定時(shí)器： 提供多種定時(shí)器和PWM功能，適合進(jìn)行精確的時(shí)間控制和測(cè)量

在本設(shè)計(jì)中，STM32F103ZET6負(fù)責(zé)控制HC-SR04模塊的觸發(fā)、接收Echo信號(hào)，并通過(guò)定時(shí)器計(jì)算距離。

三、系統(tǒng)工作原理

系統(tǒng)的基本工作流程為：STM32通過(guò)Trig引腳發(fā)出一個(gè)短脈沖信號(hào)，HC-SR04接收到這個(gè)信號(hào)后發(fā)射超聲波。超聲波碰到物體后反射回HC-SR04，并通過(guò)Echo引腳輸出反射回波的時(shí)間。STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板通過(guò)定時(shí)器計(jì)算回波的時(shí)間，并根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度（約為340m/s）計(jì)算出物體的距離。

工作流程可以分為以下幾個(gè)步驟：

1. 觸發(fā)信號(hào)發(fā)射： STM32通過(guò)GPIO口控制Trig引腳，發(fā)送一個(gè)高電平脈沖，持續(xù)10us。

2. 超聲波發(fā)射與回波接收： HC-SR04模塊發(fā)射超聲波，等待目標(biāo)物體反射信號(hào)。

3. 回波信號(hào)接收： 當(dāng)接收到回波信號(hào)時(shí)，Echo引腳輸出一個(gè)高電平信號(hào)，STM32通過(guò)外部中斷或定時(shí)器捕獲該信號(hào)的持續(xù)時(shí)間。

4. 計(jì)算距離： 使用公式距離 = (回波時(shí)間 * 聲速) / 2計(jì)算出物體與傳感器之間的距離。這里需要考慮到超聲波傳播的時(shí)間是雙程的，因此距離公式中的2。

四、詳細(xì)電路設(shè)計(jì)與原理圖

在本設(shè)計(jì)中，HC-SR04模塊與STM32F103ZET6開(kāi)發(fā)板的連接方式非常簡(jiǎn)單。VCC引腳連接到STM32的3.3V電源，Trig和Echo引腳連接到STM32的GPIO口。考慮到STM32F103ZET6的GPIO電平為3.3V，而HC-SR04的Echo引腳工作電平為5V，因此需要使用電平轉(zhuǎn)換電路，將Echo引腳的信號(hào)從5V轉(zhuǎn)換為STM32可接受的3.3V。

具體電路設(shè)計(jì)如下：

1. VCC連接到STM32的3.3V輸出（可以使用外部電源適配器）

2. Trig引腳連接到STM32的某個(gè)GPIO口（如PA0）

3. Echo引腳通過(guò)電平轉(zhuǎn)換電路連接到STM32的某個(gè)GPIO口（如PA1）

五、軟件設(shè)計(jì)

5.1 STM32初始化配置

在STM32的初始化過(guò)程中，首先需要配置Trig和Echo引腳為輸出和輸入模式，并使能定時(shí)器中斷或GPIO中斷，以便精準(zhǔn)地捕捉Echo信號(hào)的返回時(shí)間。

// GPIO初始化
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStruct = {0};

// 配置Trig引腳為輸出
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_0;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_OUTPUT_PP;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
GPIO_InitStruct.Speed = GPIO_SPEED_FREQ_HIGH;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

// 配置Echo引腳為輸入
GPIO_InitStruct.Pin = GPIO_PIN_1;
GPIO_InitStruct.Mode = GPIO_MODE_INPUT;
GPIO_InitStruct.Pull = GPIO_NOPULL;
HAL_GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStruct);

5.2 超聲波觸發(fā)與接收

STM32通過(guò)定時(shí)器或GPIO中斷來(lái)測(cè)量Echo信號(hào)的持續(xù)時(shí)間，并計(jì)算出距離。超聲波信號(hào)的時(shí)間計(jì)算公式如下：

// 超聲波觸發(fā)函數(shù)
void Trigger_HC_SR04(void)
{
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_SET);  // 觸發(fā)Trig信號(hào)
    HAL_Delay(0.01);  // 10ms
    HAL_GPIO_WritePin(GPIOA, GPIO_PIN_0, GPIO_PIN_RESET); // 停止Trig信號(hào)
}

// 回波時(shí)間測(cè)量
uint32_t Measure_Echo_Time(void)
{
    uint32_t startTime = 0, endTime = 0;
    while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_RESET); // 等待Echo信號(hào)的上升沿
    startTime = HAL_GetTick(); // 獲取開(kāi)始時(shí)間
    while(HAL_GPIO_ReadPin(GPIOA, GPIO_PIN_1) == GPIO_PIN_SET); // 等待Echo信號(hào)的下降沿
    endTime = HAL_GetTick(); // 獲取結(jié)束時(shí)間
    return endTime - startTime;
}

5.3 距離計(jì)算

超聲波的傳播速度是已知的，因此可以通過(guò)回波時(shí)間來(lái)計(jì)算物體的距離。公式如下：

// 計(jì)算距離
float Calculate_Distance(uint32_t echoTime)
{
    float distance = echoTime * 0.0343 / 2;  // 0.0343是聲波速度340m/s轉(zhuǎn)化為微秒的單位換算系數(shù)
    return distance;
}

六、測(cè)試與調(diào)試

通過(guò)程序完成后，需要進(jìn)行測(cè)試與調(diào)試。在測(cè)試過(guò)程中，檢查超聲波模塊的工作是否正常，是否能夠正確發(fā)射并接收回波信號(hào)；檢查STM32的定時(shí)器或中斷是否正常響應(yīng)，計(jì)算出的距離是否準(zhǔn)確。

七、總結(jié)與優(yōu)化

通過(guò)本設(shè)計(jì)，我們實(shí)現(xiàn)了基于STM32F103ZET6和HC-SR04的超聲波測(cè)距系統(tǒng)。在此基礎(chǔ)上，可以進(jìn)一步優(yōu)化系統(tǒng)，比如通過(guò)增加LCD顯示、無(wú)線傳輸、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)等功能來(lái)擴(kuò)展應(yīng)用。此外，系統(tǒng)的精度和測(cè)量范圍可以通過(guò)更換更高精度的傳感器或優(yōu)化算法來(lái)提高。