基于STM32的高精度测距仪设计

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#stm32 #嵌入式硬件 #单片机

于 2025-01-05 10:04:37 首次发布

引言
系统设计
1. 硬件设计
2. 软件设计
系统功能模块
1. 激光测距模块
2. 数据采集与处理模块
3. 显示模块
控制算法
1. 激光测距算法
2. 数据处理算法
代码实现
1. 激光测距模块实现
2. 数据处理与显示模块实现
系统调试与优化
结论与展望

1. 引言

高精度测距仪广泛应用于工业测量、建筑施工、地形勘测等领域。传统的测距方法往往依赖于物理尺子、光学尺等工具，测量过程繁琐且误差较大。随着激光技术的快速发展，基于激光的高精度测距仪成为一种主流方案，具有测量精度高、响应速度快、适应范围广等优点。

本文设计了一款基于STM32的高精度测距仪，通过激光测距模块实现精确的距离测量，并通过LCD显示模块实时显示测量结果。系统还具备数据采集、处理和显示功能，适用于多种测量场景。

2. 系统设计

2.1 硬件设计

本系统主要由以下模块组成：

主控芯片：采用STM32F103系列单片机作为核心处理单元，负责激光测距数据的处理、计算与显示。
激光测距模块：使用LIDAR-Lite V3或类似激光测距模块，通过激光反射时间计算测量距离。
数据处理模块：STM32通过定时器或中断采集激光测距模块的输出信号，进行数据处理。
显示模块：采用LCD显示屏显示测量结果。
电源模块：提供稳定的电源供给，通常使用锂电池或5V电源适配器。

2.2 软件设计

软件部分包含以下几个模块：

激光测距数据采集模块：通过STM32的GPIO端口采集激光测距模块的信号，并计算实际测距结果。
数据处理模块：将采集到的激光数据进行滤波处理，消除噪音，确保精度。
显示模块：实时显示测量的距离数据，可能包括单位选择（如米、厘米）。
用户交互模块：通过按键或触摸屏输入数据、选择单位等。

3. 系统功能模块

3.1 激光测距模块

激光测距模块通过发射激光束并接收反射光来测量与目标之间的距离。STM32通过测量激光发射到反射回来所需的时间（飞行时间），根据公式计算出目标的距离。

3.2 数据采集与处理模块

该模块负责从激光测距模块接收信号并进行处理。STM32通过定时器或外部中断处理激光返回信号，计算出测得的时间，并通过一定的公式转换成距离。

3.3 显示模块

通过LCD显示屏实时显示测量结果，包括距离值、单位、状态信息等。

4. 控制算法

4.1 激光测距算法

测距原理基于激光发射和接收的时间差。通过已知的光速（c = 299,792,458 m/s）和激光的往返时间（t），可以计算出距离：

D=c⋅t2D = \frac{c \cdot t}{2}D=2c⋅t

DDD：距离（单位：米）
ccc：光速（单位：米/秒）
ttt：激光往返时间（单位：秒）

4.2 数据处理算法

为了保证测距的准确性，系统需要对数据进行滤波处理。常用的方法包括：

均值滤波：通过取一定次数的测量结果的平均值来减少噪声。
中位数滤波：通过取多个数据点的中位数来减少极端值对结果的影响。

5. 代码实现

5.1 激光测距模块实现

// 激光测距模块的测量函数
float measure_distance() {
    uint32_t time_of_flight = 0;
    
    // 发送激光信号并等待接收返回信号的时间（飞行时间）
    // STM32通过输入捕获或定时器来记录信号的往返时间
    time_of_flight = read_lidar_sensor();
    
    // 根据时间计算距离，光速在常温下约为299,792,458 m/s
    float distance = (time_of_flight * 299792458.0f) / 2.0f;
    
    return distance;  // 返回计算出的距离
}

5.2 数据处理与显示模块实现

// 滤波处理函数，采用简单的均值滤波
#define SAMPLE_COUNT 5

float filter_distance(float new_distance) {
    static float distances[SAMPLE_COUNT];
    static uint8_t index = 0;
    
    distances[index] = new_distance;
    index = (index + 1) % SAMPLE_COUNT;
    
    // 计算平均值
    float sum = 0;
    for (uint8_t i = 0; i < SAMPLE_COUNT; i++) {
        sum += distances[i];
    }
    
    return sum / SAMPLE_COUNT;  // 返回过滤后的平均值
}

// 显示距离的函数
void display_distance(float distance) {
    // 使用LCD显示模块显示处理后的距离
    char buffer[16];
    sprintf(buffer, "Distance: %.2f m", distance);
    lcd_display(buffer);
}

void measure_and_display() {
    float distance = measure_distance();  // 获取测量数据
    distance = filter_distance(distance);  // 对数据进行滤波处理
    display_distance(distance);  // 显示处理后的数据
}

5.3 主函数实现

int main() {
    // 初始化硬件模块：激光测距模块、LCD显示模块等
    lcd_init();
    lidar_init();
    
    while (1) {
        measure_and_display();  // 进行测量并显示结果
        HAL_Delay(1000);  // 每秒测量一次
    }
}