基于STM32F103C8T6的智能超声波测距尺：从原理到代码的完整实现

STM32

最近在捣鼓STM32的外设，决定做一个经典的超声波测距仪。市面上的教程大多只讲皮毛，这次我深入研究了定时器输入捕获的原理，配合中断处理，实现了比普通Delay函数更精准的测量。

这里将详细拆解硬件连接、时序逻辑以及核心代码的实现。

一、硬件连接与选型

核心硬件：
- MCU： STM32F103C8T6 (蓝 pill 最小系统板)
- 传感器： HC-SR04 超声波模块
- 显示： 0.96寸 OLED (SSD1306驱动，I2C接口)

关键接线：
HC-SR04的工作电压是5V，而STM32的IO口耐压是3.3V，切记不能直接将Echo引脚接到STM32上，否则可能烧毁芯片。
STM32F103C8T6 HC-SR04模块连接方式
PAx (任意IO) Trig 直接连接 (3.3V驱动足够)
PAy (tiMx CHn) Echo 分压电路 (需接电阻)
3.3V / 5V VCC 连接
GND GND 连接

分压电路建议：
在 Echo 和 STM32 之间串联一个 1KΩ 电阻，并在 STM32 的 IO 口与 GND 之间接一个 2KΩ 电阻，组成分压网络，将 5V 电平转换为约 3.3V。

二、软件设计原理：为什么不用 Delay？

很多新手会用Delay_us(10)来触发 Trig，然后用while循环等待 Echo 变高。
缺点：这种方式会阻塞主程序，且受系统时钟波动影响，精度不高。

解决方案：使用通用定时器输入捕获模式 (Input Capture)。
- 原理：利用硬件自动捕捉信号跳变沿的时刻。
- 流程：
1. Trig 发出 10us 高电平脉冲。
2. Echo 变高，定时器捕捉上升沿，记录此时的计数值 Capture1。
3. Echo 变低，定时器捕捉下降沿，记录此时的计数值 Capture2。
4. 计算差值 Distance = (Capture2 - Capture1) * 声速 / 计数频率 / 2。

三、核心代码解析

以下代码基于标准库 (StdPeriph) 或 HAL库的逻辑编写（注释中已标注），重点展示了定时器配置和中断服务函数。

1. 定时器初始化 (TIM2为例)
我们需要配置定时器工作在输入捕获模式，并开启中断。

void TIM2_Input_Init(void)
{
// 1. 使能时钟
RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);

// 2. GPIO配置 (PA0 -> TIM2_CH1)
GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPU; // 上拉输入
GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

// 3. 定时器基本配置
TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF; // 自动重装载值
TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;  // 预分频器 72MHz/72 = 1MHz -> 1us计数一次
TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

// 4. 输入捕获配置
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; // 通道1
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_BothEdge; // 捕获上升沿和下降沿
TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0F; // 滤波
TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);

// 5. 开启中断
TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_Update | TIM_IT_CC1, ENABLE); // 溢出中断和捕获中断

// 6. 配置NVIC
NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

// 7. 启动定时器
TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

2. 中断服务函数 (关键逻辑)
这是整个测距的核心，利用静态变量保存捕获状态。

// 全局变量：高电平计数值, 距离值
u32 time_width = 0;
u16 distance_cm = 0;

// 标志位：0-未开始捕获; 1-已捕获上升沿; 2-已捕获下降沿
u8 capture_state = 0;

void TIM2_IRQHandler(void)
{
if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) // 捕获中断
{
      if (capture_state == 0)
      {
         // 第一次捕获：上升沿
         // 清除计数器，确保从0开始计数（或者读取当前值）
         TIM_SetCounter(TIM2, 0);
         capture_state = 1;
      }
      else if (capture_state == 1)
      {
         // 第二次捕获：下降沿
         time_width = TIM_GetCapture1(TIM2); // 读取捕获值
         capture_state = 2;

         // --- 计算距离 ---
         // 预分频71，72MHz时钟 -> 1us/计数
         // 距离(cm) = (时间(us) * 声速(340m/s)) / 2
         // 公式简化：距离(cm) = (计数值 * 34000 cm/s) / (1000000 us/s * 2)
         // 约等于：距离(cm) = 计数值 / 58 (经验公式)
         distance_cm = time_width / 58;
      }
}
else if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_Update) != RESET) // 溢出中断
{
      // 如果定时器溢出，说明没有检测到回波，重置状态
      if (capture_state == 1)
      {
         capture_state = 0;
      }
}

TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1 | TIM_IT_Update); // 清除中断标志
}

3. 主函数触发逻辑
主循环中负责给 Trig 发送触发信号。

int main(void)
{
// 系统初始化
SystemInit();
OLED_Init();
TIM2_Input_Init();
GPIO_Init_Trigger(); // 初始化Trig引脚为推挽输出

while(1)
{
      // 1. 给Trig引脚至少10us的高电平
      GPIO_SetBits(GPIOx, Trig_Pin);
      Delay_us(15);
      GPIO_ResetBits(GPIOx, Trig_Pin);

      // 2. 等待捕获完成
      // 这里可以加一个简单的延时或查询 capture_state == 2

      // 3. 显示结果
      OLED_ShowString(0, 0, "Distance:");
      OLED_ShowNum(0, 1, distance_cm, 3); // 显示3位数字
      OLED_ShowString(30, 1, "cm");

      Delay_ms(100); // 刷新频率
}
}

四、常见问题与优化建议

1.  测距不准：检查定时器的预分频器设置。如果是72MHz系统时钟，想要1us计数一次，预分频器应设为72-1=71。
2.  数据跳动：超声波容易受环境干扰。建议在软件中增加中位值滤波或平均值滤波。例如，连续测5次，去掉最大最小值取平均。
3.  无法触发：检查Trig的高电平时间是否大于10us。如果使用Delay_us，确保编译器优化等级不要太高导致延时失效。

五、总结
通过这个项目，你会发现STM32的定时器功能非常强大。利用输入捕获代替软件延时，不仅能释放CPU资源，还能显著提高测距精度。后续还可以扩展功能，比如加入蜂鸣器报警（距离过近报警）或者通过串口发送数据到上位机绘图。

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