STM32超声波测距精准实现

STM32实现超声波测距：从原理到高精度测量的完整实践

在智能小车自动避障、机器人环境感知或液位监控系统中，开发者常常面临一个基础但关键的问题：如何以低成本实现稳定可靠的距离检测？虽然激光雷达和毫米波雷达性能优越，但对于大多数嵌入式应用场景而言， HC-SR04超声波模块搭配STM32微控制器 的组合，依然是性价比最高、最容易上手的解决方案。

不过，看似简单的“发脉冲、收回波”过程，若处理不当，很容易出现测量跳变、误触发甚至无响应的情况。问题往往不在于传感器本身，而在于时间精度控制与硬件协同设计是否到位。比如，你有没有遇到过这样的情况：明明障碍物就在眼前，测出来的距离却忽大忽小？或者多次测量结果差异极大？

这背后的核心，其实是 如何用微秒级精度捕获ECHO引脚的脉冲宽度 ——而这正是STM32定时器输入捕获功能的用武之地。

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我们先来看HC-SR04的工作机制。这个模块只需要两个GPIO就能驱动：一个是TRIG（触发），另一个是ECHO（回波输出）。当你给TRIG发送一个持续10μs以上的高电平，它就会自动发出8个40kHz的超声波脉冲，并同时将ECHO拉高。一旦接收到反射信号，ECHO立即变低。因此，ECHO保持高电平的时间，就是声音从发射到返回的总传播时间。

根据声速公式，空气中声速大约为343 m/s，即0.0343 cm/μs。由于是往返行程，实际距离应为：

$$
\text{Distance (cm)} = \frac{0.0343 \times t}{2} ≈ t \times 0.01715
$$

也就是说，只要准确测出ECHO高电平的持续时间（单位为μs），乘以0.01715就能得到厘米级的距离值。

听起来很简单？但难点在于： 这个时间通常只有几百微秒量级 。例如，测量1米远的物体，往返时间约为5.8ms，对应ECHO脉宽约5800μs。如果计时误差超过几微秒，距离偏差就可能达到±1cm以上。

这时候，传统的 while 轮询加软件延时方式就显得力不从心了。CPU调度延迟、中断抢占、代码执行波动都会导致捕获不准。更糟糕的是，长时间阻塞等待还会让MCU无法处理其他任务，系统实时性大打折扣。

真正可靠的方案，必须依赖 硬件级别的精确计时能力 。STM32的通用定时器（如TIM2、TIM3）配合输入捕获功能，正好可以胜任这一角色。

假设你的系统主频为72MHz（常见于STM32F1系列），我们可以将定时器预分频设置为71，这样每1个计数周期正好对应1μs。再把TIM2通道1映射到PA0引脚（即ECHO连接点），配置为输入捕获模式，就能在上升沿和下降沿到来时自动记录当前计数值，完全由硬件完成，不受程序流程干扰。

具体实现时，建议采用“双沿捕获 + 中断切换极性”的策略。初始状态监听上升沿，当ECHO变高时，读取此时的计数值作为起始时间；然后动态修改捕获极性为下降沿，等到信号结束时再次捕获，计算差值即可获得完整的脉冲宽度。

volatile uint32_t rise_time = 0;
volatile uint32_t fall_time = 0;
volatile uint8_t echo_state = 0;  // 状态机：0-等上升沿，1-等下降沿
volatile float distance_cm = 0.0f;
volatile uint8_t distance_valid = 0;

void TIM2_IRQHandler(void) {
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1)) {
        if (echo_state == 0) {
            rise_time = TIM_GetCapture1(TIM2);
            TIM_OC1PolarityConfig(TIM2, TIM_ICPolarity_Falling);  // 切换为下降沿捕获
            echo_state = 1;
        } else {
            fall_time = TIM_GetCapture1(TIM2);
            uint32_t pulse_width = fall_time - rise_time;
            distance_cm = pulse_width * 0.01715f;
            distance_valid = 1;
            TIM_OC1PolarityConfig(TIM2, TIM_ICPolarity_Rising);  // 恢复上升沿
            echo_state = 0;
        }
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);
    }
}

这段中断服务函数看似简单，实则暗藏玄机。通过状态机控制捕获极性的切换，避免了使用外部中断+定时器联合判断的复杂逻辑，也防止了因重复触发导致的数据错乱。更重要的是，整个过程无需CPU主动轮询，大大降低了资源占用。

至于TRIG信号的生成，则相对直接。只需通过GPIO推挽输出一个12μs左右的高电平即可：

void HCSR04_Trigger(void) {
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
    Delay_us(12);
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}

这里需要注意的是， Delay_us() 必须足够精准。推荐使用SysTick定时器或NOP循环实现微秒级延时，避免调用HAL库中可能被优化掉的短延时函数。

当然，在真实项目中还有一些细节不容忽视。首当其冲的就是 电平匹配问题 。HC-SR04的ECHO输出为5V TTL电平，而绝大多数STM32芯片的IO口最大耐压仅为3.6V。长期接入5V信号可能导致I/O损坏，尤其是在电源波动或模块老化的情况下。

最稳妥的做法是使用电阻分压电路，例如4.7kΩ + 10kΩ串联，将5V降至约3.4V，既满足STM32识别高电平的要求（通常>2V即可），又留有安全裕量。也可以选用专用电平转换芯片（如TXS0108E），但在成本敏感场景下，分压电阻仍是首选。

另一个常被忽略的因素是 温度对声速的影响 。标准计算中的0.0343 cm/μs是基于20℃环境下的理论值。实际上，声速随温度变化的关系为：

$$
v = 331.5 + 0.6 \times T \quad (\text{m/s}, T为摄氏度})
$$

这意味着在冬季（5℃）和夏季（35℃）环境下，声速相差可达18 m/s，对应测距误差超过5%。如果你的应用要求较高精度（如液位计量），强烈建议集成DS18B20等数字温度传感器，动态修正声速参数。

此外，为了提升测量稳定性，工程实践中普遍采用“多采样取平均”策略。连续触发3~5次测距，剔除最大最小值后求均值，能有效抑制偶然噪声干扰。对于快速移动的目标，还可引入卡尔曼滤波进行数据融合，进一步平滑输出。

还有一点值得提醒：多个HC-SR04同时工作时极易发生串扰。因为它们都工作在40kHz频率，且发射脉冲较长（约1ms），若没有时序隔离，前一个模块的回波可能被后一个误认为是自己的信号。解决办法是 错开发射时机 ，每个传感器之间至少间隔10ms以上再启动下一次测量，确保前次回波已完全消失。

回到整体架构，典型的系统连接如下：

[STM32 MCU]
   │
   ├─→ TRIG ────→ HC-SR04 (Trigger Input)
   │
   ←─ ECHO ←───── HC-SR04 (Echo Output, 经过分压)
   │
   └─ USART/LCD/LED → 输出结果显示

主循环只需定期调用 HCSR04_Trigger() 发起测量，之后便可继续执行其他任务。考虑到HC-SR04的最小响应周期为60ms，建议两次触发间隔不少于100ms，留足余量以保证模块正常复位。

int main(void) {
    SystemInit();
    GPIO_Init_HCSR04();
    TIM2_IC_Init();
    USART1_Init();                    // 可选：用于调试输出
    NVIC_EnableIRQ(TIM2_IRQn);

    while (1) {
        HCSR04_Trigger();
        Delay_ms(100);

        if (distance_valid) {
            printf("Distance: %.2f cm\r\n", distance_cm);
            distance_valid = 0;
        }
    }
}

你会发现，这种异步非阻塞的设计方式，使得系统响应更加流畅，也为后续扩展通信、显示或多任务处理留下了空间。

值得一提的是，这套方法论并不仅限于超声波测距。只要是涉及 精确时间间隔测量 的场景——比如编码器测速、红外ToF传感器读取、PWM信号解析——都可以借鉴类似的定时器输入捕获思路。STM32的强大之处就在于，它把复杂的时序控制交给了硬件外设，让开发者能够专注于应用逻辑。

未来若想进一步提升性能，也有多种演进路径可选。例如利用DMA与定时器联动，实现多通道超声波数据的批量采集；或者结合FreeRTOS创建独立的任务线程，分离测距、通信与控制逻辑；更有甚者，可以替换为工业级超声波ToF传感器（如MAX31100），获得更高的抗干扰能力和亚厘米级分辨率。

但无论如何升级，底层的时间测量原理始终不变。掌握好定时器与GPIO的协同控制，才是真正打开嵌入式高精度感知大门的钥匙。

这种将硬件资源与软件逻辑紧密结合的设计思想，也正是现代嵌入式系统“精准感知 + 实时控制”理念的最佳体现。对于初学者来说，这不仅是一次成功的测距实验，更是一堂生动的实时系统实践课。