STM32多通道超声波测距设计

基于STM32的多通道超声波测距系统设计与实现

在机器人自主导航、智能小车避障或工业自动化监控中，实时感知周围环境的距离信息是实现决策控制的前提。一个稳定、低成本且具备本地可视化能力的测距终端，往往能显著提升开发效率和系统独立性。本文探讨一种以 STM32F103C8T6 为核心，集成 4个HC-SR04超声波传感器 并搭配 OLED显示屏 的嵌入式测距方案——它不仅结构简单、易于调试，还能为后续功能扩展打下坚实基础。

这类系统的魅力在于：无需复杂算法或昂贵硬件，仅靠精准的时序控制和合理的资源调度，就能构建出具备空间感知能力的“小型智能体”。而STM32的强大外设与处理能力，恰好弥补了传统8位MCU在多传感器协同中的性能瓶颈。

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超声波测距的本质：时间即距离

HC-SR04作为最常见的非接触式测距模块之一，其工作原理本质上是一个“回声计时器”。它通过内部振荡电路驱动发射探头发出一串40kHz的超声波脉冲，当声波遇到障碍物后反射回来，被接收探头捕获，从而触发Echo引脚输出高电平信号——这个高电平的持续时间，正是声波从发射到返回所经历的时间。

计算公式非常直观：

$$
\text{Distance (cm)} = \frac{\text{Time (μs)}}{58}
$$

其中，58这一系数来源于声速（约340 m/s）在空气中的传播速度换算。例如，若Echo高电平持续580μs，则表示往返时间为580微秒，对应单程距离为500cm ÷ 2 = 250cm。

但实际应用远比公式复杂。首先，HC-SR04的工作电压为5V，而STM32多数IO引脚为3.3V逻辑电平。虽然部分引脚标称支持5V容忍（如PAx/PBx中某些型号），但在长期运行或噪声环境下仍存在损坏风险。稳妥做法是使用电阻分压电路（如4.7kΩ + 10kΩ）或将信号接入光耦隔离。

更关键的是多个HC-SR04同时工作的干扰问题。如果四个传感器同时触发，它们发出的超声波会在空间中叠加，导致回波信号混乱甚至误判。因此必须采用 分时触发机制 ，确保每次只有一个传感器处于活跃状态，并留出足够的响应时间（建议间隔≥60ms，对应最大量程4米的安全等待期）。

此外，Echo信号有时会出现毛刺或提前拉低的情况，尤其在面对吸音材料（如布料、海绵）或倾斜表面时。为此，推荐加入以下防护措施：
- 设置超时判断（如超过60ms未检测到下降沿则视为“无回波”）；
- 多次采样取平均值（如连续测量3次取中位数）；
- 使用外部中断配合定时器输入捕获，提高时间测量精度。

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STM32如何高效协调四路传感器？

STM32F103系列基于ARM Cortex-M3内核，主频可达72MHz，拥有丰富的定时器资源和灵活的中断系统，非常适合此类需要精确时序控制的应用。

在这个项目中，STM32承担三大核心任务：
1. 精确生成10μs触发脉冲 ；
2. 准确测量Echo高电平宽度 ；
3. 管理多传感器轮询调度与冲突避免 。

触发脉冲：别再依赖HAL_Delay！

很多初学者习惯用 HAL_Delay(1) 来模拟10μs延时，但实际上 HAL_Delay() 最小单位为1ms，调用 HAL_Delay(1) 会阻塞整整1毫秒，远超所需时间。即使尝试 HAL_Delay(0.01) ，编译器也会将其舍入为0，导致无法产生有效脉冲。

正确的做法是利用DWT（Data Watchpoint and Trace）单元进行微秒级延时：

__STATIC_INLINE void delay_us(uint32_t us)
{
    uint32_t start = DWT->CYCCNT;
    uint32_t cycles = us * (SystemCoreClock / 1000000);
    while ((DWT->CYCCNT - start) < cycles);
}

// 使用前需启用DWT时钟
CoreDebug->DEMCR |= CoreDebug_DEMCR_TRCENA_Msk;
DWT->CYCCNT = 0;

这样可以在不占用定时器的情况下实现纳秒级精度的延时，非常适合Trig引脚的短脉冲触发。

测量回波：输入捕获 vs 外部中断+计时

有两种主流方式测量Echo信号宽度：

方案一：外部中断 + DWT计时（推荐用于多传感器）

将每个Echo引脚连接至独立的外部中断线（EXTI），上升沿触发记录起始时间，下降沿触发记录结束时间，差值即为高电平宽度。

优点是代码逻辑清晰，可复用同一套中断服务程序；缺点是对中断响应速度要求较高，若中断被高优先级任务阻塞可能导致误差。

uint32_t start_time, echo_width;
volatile uint8_t capturing = 0;

void EXTI9_5_IRQHandler(void)
{
    if (__HAL_GPIO_EXTI_GET_IT(ECHO1_PIN) != RESET)
    {
        if (capturing == 0) {
            start_time = DWT->CYCCNT;
            capturing = 1;
        } else {
            echo_width = DWT->CYCCNT - start_time;
            capturing = 0;
            distance_cm = echo_width / (SystemCoreClock / 1000000) / 58.0f;
        }
        __HAL_GPIO_EXTI_CLEAR_IT(ECHO1_PIN);
    }
}

方案二：定时器输入捕获（适合高精度单通道）

使用TIMx_CHy配置为输入捕获模式，自动记录边沿时间戳。该方式由硬件完成计时，CPU负担极低，但每个通道需独占一个定时器通道，对于四路传感器来说资源紧张。

综合考虑， 外部中断+DWT计时 更适合本项目需求，既能保证精度又节省定时器资源。

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OLED显示：不只是“能看”，更要“好看”

选用0.96英寸SSD1306 OLED屏（I²C接口）不仅因为其低功耗、高对比度和宽视角特性，更重要的是它仅需两根引脚（SCL/SDA）即可完成通信，极大缓解了STM32在引脚资源上的压力。

不过，I²C总线速率直接影响刷新体验。默认标准模式（100kHz）下刷新整屏可能耗时数毫秒，容易造成画面闪烁。建议开启快速模式（400kHz）以提升响应速度：

hi2c1.Init.ClockSpeed = 400000; // 快速模式

软件层面推荐使用成熟的开源库 u8g2 ，它提供了跨平台字体渲染、图形绘制和缓冲管理机制，极大简化开发流程。

以下是一个实用的数据显示函数示例：

void OLED_Display_Distance(float dist[4])
{
    u8g2_ClearBuffer(&u8g2);
    u8g2_SetFont(&u8g2, u8g2_font_inb24_mn); // 大号数字字体
    u8g2_DrawStr(0, 20, "D1:");
    u8g2_DrawStr(0, 40, "D2:");
    u8g2_DrawStr(64, 20, "D3:");
    u8g2_DrawStr(64, 40, "D4:");

    char buf[10];
    for (int i = 0; i < 4; i++) {
        sprintf(buf, "%.0f", dist[i]);
        u8g2_SetFontPosTop(&u8g2);
        u8g2_DrawStr(i < 2 ? 32 : 96, (i % 2) * 20 + 10, buf);
        u8g2_DrawStr(i < 2 ? 32 : 96, (i % 2) * 20 + 28, "cm");
    }
    u8g2_SendBuffer(&u8g2);
}

这种布局兼顾可读性与美观性，适合近距离观察。若需进一步优化刷新效率，可启用局部更新策略，仅重绘变化区域而非全屏清空。

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系统架构与运行逻辑

整个系统采用“主循环轮询 + 中断响应”的混合架构：

• 主循环负责按序触发四个传感器；
• 每次触发后启动超时保护（防止死等）；
• 回波通过外部中断捕获并计算距离；
• 所有数据汇总后统一刷新OLED；
• 整体刷新率控制在5Hz左右（每200ms一次），既避免频繁刷新带来的抖动，又能满足基本实时性需求。

典型主循环如下：

float distances[4];

while (1)
{
    for (int i = 0; i < 4; i++)
    {
        TriggerSensor(i);           // 发送10us脉冲
        delay_us(60000);            // 等待最长回波时间
        distances[i] = GetLastDistance(i); // 获取结果（含超时判断）
    }

    OLED_Update(distances);         // 刷新显示
    HAL_Delay(200);                 // 控制刷新频率
}

这里的关键是 严格串行化触发过程 。假设我们让S1触发后立即触发S2，那么S2的Echo信号可能会误认为是S1的回波，造成严重错误。因此必须保证任意两个传感器之间的触发间隔大于其最大回波时间（约2.3ms对应4m），再加上安全余量，通常设置为60ms以上。

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实战常见问题与应对策略

问题现象	可能原因	解决方案
显示“0”或负值	Echo未正确捕获	检查中断配置、GPIO模式、是否开启AFIO时钟
数据跳变剧烈	环境噪声或信号抖动	增加均值滤波或中值滤波（3~5次采样）
OLED花屏/通信失败	I²C地址错误或上拉不足	确认设备地址（0x78或0x7A）、外接4.7kΩ上拉电阻
STM32复位频繁	HC-SR04电源波动	为超声波模块单独供电或增加100μF电解电容
测距上限不足	声波衰减严重	避免对软质、倾斜或远距离目标测量

特别提醒：不要忽视电源设计。HC-SR04在瞬间发射时电流可达30~40mA，若与STM32共用LDO稳压源，极易引起电压跌落，导致MCU复位。最佳实践是使用独立DC-DC模块或在PCB上布置足够大的去耦电容（如10μF陶瓷电容 + 100μF电解电容）。

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设计建议与进阶方向

为了让系统更加稳健可靠，以下几点值得重点关注：

1. 物理布局讲究角度 ：四个传感器应呈扇形分布（如前、左前、右前、后），避免正对平行安装，减少相互反射干扰。
2. 启用中断优先级管理 ：若系统后期引入其他外设（如编码器、蓝牙），应合理分配NVIC优先级，确保Echo中断不被长时间延迟。
3. 加入状态指示灯 ：用LED提示当前激活的传感器编号或系统运行状态，便于调试。
4. 预留扩展接口 ：保留UART、SPI等空闲引脚，方便未来接入无线模块或SD卡记录数据。

展望未来，该平台完全可以演化为更复杂的智能终端：
- 添加ESP8266或HC-05模块，实现Wi-Fi/蓝牙数据上传；
- 结合FreeRTOS实现多任务调度，分离测距、显示、通信等功能；
- 替换为VL53L0X等ToF激光测距传感器，获得更高精度与抗干扰能力；
- 引入PID控制器，构建恒距跟随小车或自动门控制系统。

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这种“STM32 + 多路超声波 + OLED”的组合看似朴素，实则凝聚了嵌入式开发的核心思想： 用有限资源解决实际问题，以简洁架构支撑持续演进 。无论是教学实验、原型验证还是小型产品开发，它都提供了一个兼具实用性与成长性的技术起点。