基于STM8S103F3P6的超声波测距仪设计方案

引言

超声波测距仪是一种利用超声波传播时间来测量距离的设备，在工程、科研以及日常生活中有着广泛的应用。超声波测距具有非接触、指向性好、传播速度恒定、易于检测等优点，能够在极端或恶劣的工作环境中保障操作人员的人身安全，并能实时测量。本文将详细介绍基于STM8S103F3P6的超声波测距仪设计方案。

主控芯片介绍

型号及特性

• 型号：STM8S103F3P6

• 厂商：STMicroelectronics（意法半导体）

• 封装：TSSOP-20

• 主要特性：

• 8位微控制器，低功耗、高性能，适合小型化、智能化的嵌入式应用。

• 拥有32KB的闪存和2KB的SRAM。

• 内置ADC（模数转换器）和定时器，能够处理超声波信号的发射与接收。

• 具有3级流水线的哈佛结构与扩展指令集的内核，性能稳定，运算速度快。

• 支持多次重复擦写的Flash程序存储器，时钟控制灵活方便，有多种寄存器。

• 时钟源包括外部时钟输入、内部低功耗128kHz RC等四个主时钟源。

• 含有窗口看门狗和独立看门狗两个看门狗定时器，中断资源丰富。

在设计中的作用

STM8S103F3P6作为主控芯片，在超声波测距仪的设计中起到了核心作用。通过其内部定时器记录超声波的发射与接收时间差，并利用ADC将传感器的模拟信号转换为数字值，从而实现距离的精确测量。同时，STM8S103F3P6还通过GPIO接口控制超声波传感器的发射和接收状态，并通过串行通信能力驱动显示模块，如OLED显示屏或LED指示灯，用于显示测量结果和状态指示。

超声波测距仪设计方案

系统总体架构

超声波测距仪主要由以下几个部分组成：

1. MCU单元：STM8S103F3P6单片机，控制整个电路的运行。

2. 超声波模块：采用HC-SR04等型号的超声波传感器，用于发射和接收超声波信号。

3. 测温单元：使用DS18B20温度传感器，实时测量环境温度，用于温度补偿以提高测量精度。

4. 按键单元：用于调整预设预警值。

5. 显示单元：OLED显示屏，用于显示测量结果。

6. 指示单元：LED指示灯和蜂鸣器，用于状态指示和预警提示。

系统工作原理

1. 超声波测距原理

超声波测距的基本原理是利用超声波在空气中的传播速度恒定，通过测量超声波从发射到接收的时间差来计算距离。设超声波的传播速度为c（在空气中约为343米/秒），传播时间为t，则超声波往返的距离S为：

S = c * t

由于测量的是单程距离，因此实际距离L为：

L = S / 2

2. 工作流程

• STM8S103F3P6单片机控制超声波传感器HC-SR04发射一个短暂的40KHz超声波脉冲。

• 单片机进入等待模式，通过内部定时器记录从发射到接收到回波的时间差t。

• 根据时间差t和超声波的传播速度c，计算出超声波往返的距离S，进而得到目标距离L。

• 同时，通过DS18B20温度传感器实时测量环境温度，并进行温度补偿以提高测量精度。

• 计算结果通过OLED显示屏显示出来，并根据测量值通过LED指示灯和蜂鸣器进行状态指示和预警提示。

硬件设计

1. MCU单元

STM8S103F3P6单片机作为主控芯片，负责整个电路的控制和数据处理。其引脚配置如下：

• GPIO口：用于控制超声波传感器的发射和接收状态，以及驱动显示模块和指示单元。

• ADC口：用于将传感器的模拟信号转换为数字值，以便单片机进行处理。

• 定时器：用于记录超声波的发射与接收时间差。

2. 超声波模块

采用HC-SR04超声波传感器，其工作原理如下：

• VCC和GND分别接电源和地。

• Trig引脚接STM8S103F3P6的一个GPIO口，用于控制超声波的发射。

• Echo引脚接STM8S103F3P6的另一个GPIO口（带中断功能），用于接收超声波的回波信号。

3. 测温单元

使用DS18B20温度传感器，其工作原理如下：

• VCC和GND分别接电源和地。

• DQ引脚接STM8S103F3P6的一个GPIO口（通过单总线协议通信）。

4. 显示单元

采用OLED显示屏，用于显示测量结果。其工作原理如下：

• VCC和GND分别接电源和地。

• 数据接口（如SPI或I2C）接STM8S103F3P6的相应GPIO口。

5. 指示单元

包括LED指示灯和蜂鸣器，用于状态指示和预警提示。其工作原理如下：

• LED指示灯：通过STM8S103F3P6的GPIO口控制其亮灭状态。

• 蜂鸣器：通过STM8S103F3P6的GPIO口控制其发声状态。

6. 电源模块

采用5V稳压直流电源，可由自锁开关控制选择是用USB或者是排针输入。

软件设计

1. 程序总体结构

软件设计采用模块化思想，主要包括以下几个模块：

• 初始化模块：用于初始化单片机、超声波传感器、温度传感器、显示模块和指示单元等。

• 超声波测距模块：用于控制超声波传感器的发射和接收，并计算距离。

• 温度补偿模块：用于实时测量环境温度，并进行温度补偿以提高测量精度。

• 显示模块：用于将测量结果显示在OLED屏幕上。

• 指示模块：用于根据测量值通过LED指示灯和蜂鸣器进行状态指示和预警提示。

• 按键处理模块：用于处理按键输入，调整预设预警值。

2. 关键代码实现

以下是部分关键代码的实现示例：

// 初始化函数  

void Initialization(void)  

{

// 初始化单片机  

STM8S_Clock_DeInit(); // 时钟初始化  

STM8S_DeInitGPIO(GPIOA, GPIO_PIN_ALL); // GPIO初始化  

STM8S_ADC1_DeInit(); // ADC初始化  

STM8S_TIM2_DeInit(); // 定时器初始化  



// 初始化超声波传感器  

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_0; // Trig引脚  

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP_Low_Speed;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_1; // Echo引脚  

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



// 初始化温度传感器  

// ...（省略具体代码）  



// 初始化显示模块  

// ...（省略具体代码）  



// 初始化指示单元  

// ...（省略具体代码）  

}



// 超声波测距函数  

uint16_t Measure_Distance(void)  

{

uint16_t distance = 0;

uint32_t time = 0;



// 发射超声波信号  

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0);

Delay_us(10); // 延时10us  

GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0);



// 等待Echo引脚高电平信号  

while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_1) == Bit_RESET);



// 定时器开始计时  

TIM2_TimeBaseInit(TIM2_PRESCALER_1, 0xFFFF); // 定时器预设值  

TIM2_Cmd(ENABLE); // 启动定时器  



// 等待Echo引脚低电平信号  

while (GPIO_ReadInputDataBit(GPIOA, GPIO_PIN_1) == Bit_SET);



// 获取定时器计数值  

time = TIM2_GetCounter();

TIM2_Cmd(DISABLE); // 停止定时器  



// 计算距离（假设声波速度为343m/s）  

distance = (uint16_t)((time * 34300) / 20000); // 转换为厘米  



return distance;

}



// 温度补偿函数  

void Temperature_Compensation(uint16_t *distance, float temperature)  

{

// 根据温度对声速进行补偿（具体补偿公式根据实际情况确定）  

// ...（省略具体代码）  

}



// 主函数  

int main(void)  

{

uint16_t distance;

float temperature;

主函数

码

Initialization(); // 初始化  



while (1)

{

// 测量环境温度  

temperature = Measure_Temperature(); // 假设此函数返回以摄氏度为单位的温度值  



// 测量距离  

distance = Measure_Distance();



// 温度补偿  

Temperature_Compensation(&distance, temperature);



// 显示测量结果  

Display_Distance(distance); // 假设此函数负责将距离值显示在OLED屏幕上  



// 状态指示和预警提示  

Indicate_Status(distance); // 假设此函数根据距离值控制LED指示灯和蜂鸣器  



// 按键处理  

Process_Keys(); // 假设此函数负责处理按键输入，调整预设预警值  



// 延时一段时间  

Delay_ms(100); // 假设此函数实现毫秒级延时  

}

}



// 测量温度函数（示例）  

float Measure_Temperature(void)  

{

// 此处省略DS18B20温度传感器的具体通信和数据处理代码  

// 假设返回的温度值为浮点数，单位为摄氏度  

return 25.0; // 示例返回值，实际应根据DS18B20的通信结果计算得出  

}



// 显示距离函数（示例）  

void Display_Distance(uint16_t distance)  

{

// 此处省略OLED显示屏的具体通信和显示代码  

// 假设OLED显示屏已经初始化，并能够通过特定的函数接口显示字符串或数字  

char buffer[16];

sprintf(buffer, "Distance: %dcm", distance);

OLED_DisplayString(buffer); // 假设此函数负责将字符串显示在OLED屏幕上  

}



// 状态指示和预警提示函数（示例）  

void Indicate_Status(uint16_t distance)  

{

// 假设预设预警值为50cm  

#define WARNING_DISTANCE 50  



if (distance < WARNING_DISTANCE)

{

// 距离小于预警值，点亮红色LED并发出蜂鸣声  

GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_PIN_0); // 假设红色LED连接在GPIOB的PIN0上  

BUZZER_ON(); // 假设此宏定义控制蜂鸣器发声  

}

else  

{

// 距离大于或等于预警值，熄灭红色LED并停止蜂鸣声  

GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_PIN_0);

BUZZER_OFF(); // 假设此宏定义控制蜂鸣器停止发声  

}

}



// 按键处理函数（示例）  

void Process_Keys(void)  

{

// 此处省略按键扫描和处理的代码  

// 假设按键能够调整预设预警值WARNING_DISTANCE  

// 按键按下时，可以增加或减少预警值，并保存到非易失性存储器中（如EEPROM）  

}



// 延时函数（毫秒级）  

void Delay_ms(uint32_t ms)  

{

// 使用定时器实现毫秒级延时  

// 此处省略具体实现代码，可以根据STM8S103F3P6的定时器特性自行编写  

}



// 延时函数（微秒级）  

void Delay_us(uint16_t us)  

{

// 使用循环实现微秒级延时，注意此方法精度较低，仅适用于对延时精度要求不高的场合  

// 具体实现可以根据STM8S103F3P6的指令周期和时钟频率进行计算  

while (us--);

}

温度补偿算法

温度补偿是提高超声波测距精度的关键之一。由于超声波在空气中的传播速度受温度影响，因此需要根据实时测量的环境温度对测量结果进行修正。常见的温度补偿算法如下：

1. 线性补偿法：根据实验数据，拟合出超声波传播速度与温度之间的线性关系，然后利用该关系对测量结果进行修正。

2. 多项式补偿法：如果线性关系不够准确，可以采用多项式拟合的方法，建立超声波传播速度与温度之间的多项式关系，进行更精确的补偿。

3. 查找表法：预先测量并存储不同温度下的超声波传播速度，测量时根据实时温度查找对应的传播速度进行补偿。

在本设计方案中，可以根据实际情况选择合适的温度补偿算法，并将其实现为Temperature_Compensation函数的一部分。

结论

基于STM8S103F3P6的超声波测距仪设计方案具有成本低、功耗低、精度高、易于实现等优点。通过合理的硬件设计和软件编程，可以实现稳定可靠的超声波测距功能，并可根据实际需求进行功能扩展和优化。本设计方案可作为相关领域的参考和借鉴，为超声波测距技术的应用提供有力支持。