基于STM8S103F3P6的超聲波測距儀設(shè)計(jì)方案

引言

超聲波測距儀是一種利用超聲波傳播時(shí)間來測量距離的設(shè)備，在工程、科研以及日常生活中有著廣泛的應(yīng)用。超聲波測距具有非接觸、指向性好、傳播速度恒定、易于檢測等優(yōu)點(diǎn)，能夠在極端或惡劣的工作環(huán)境中保障操作人員的人身安全，并能實(shí)時(shí)測量。本文將詳細(xì)介紹基于STM8S103F3P6的超聲波測距儀設(shè)計(jì)方案。

主控芯片介紹

型號及特性

• 型號：STM8S103F3P6

• 廠商：STMicroelectronics（意法半導(dǎo)體）

• 封裝：TSSOP-20

• 主要特性：

• 8位微控制器，低功耗、高性能，適合小型化、智能化的嵌入式應(yīng)用。

• 擁有32KB的閃存和2KB的SRAM。

• 內(nèi)置ADC（模數(shù)轉(zhuǎn)換器）和定時(shí)器，能夠處理超聲波信號的發(fā)射與接收。

• 具有3級流水線的哈佛結(jié)構(gòu)與擴(kuò)展指令集的內(nèi)核，性能穩(wěn)定，運(yùn)算速度快。

• 支持多次重復(fù)擦寫的Flash程序存儲(chǔ)器，時(shí)鐘控制靈活方便，有多種寄存器。

• 時(shí)鐘源包括外部時(shí)鐘輸入、內(nèi)部低功耗128kHz RC等四個(gè)主時(shí)鐘源。

• 含有窗口看門狗和獨(dú)立看門狗兩個(gè)看門狗定時(shí)器，中斷資源豐富。

在設(shè)計(jì)中的作用

STM8S103F3P6作為主控芯片，在超聲波測距儀的設(shè)計(jì)中起到了核心作用。通過其內(nèi)部定時(shí)器記錄超聲波的發(fā)射與接收時(shí)間差，并利用ADC將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，從而實(shí)現(xiàn)距離的精確測量。同時(shí)，STM8S103F3P6還通過GPIO接口控制超聲波傳感器的發(fā)射和接收狀態(tài)，并通過串行通信能力驅(qū)動(dòng)顯示模塊，如OLED顯示屏或LED指示燈，用于顯示測量結(jié)果和狀態(tài)指示。

超聲波測距儀設(shè)計(jì)方案

系統(tǒng)總體架構(gòu)

超聲波測距儀主要由以下幾個(gè)部分組成：

1. MCU單元：STM8S103F3P6單片機(jī)，控制整個(gè)電路的運(yùn)行。

2. 超聲波模塊：采用HC-SR04等型號的超聲波傳感器，用于發(fā)射和接收超聲波信號。

3. 測溫單元：使用DS18B20溫度傳感器，實(shí)時(shí)測量環(huán)境溫度，用于溫度補(bǔ)償以提高測量精度。

4. 按鍵單元：用于調(diào)整預(yù)設(shè)預(yù)警值。

5. 顯示單元：OLED顯示屏，用于顯示測量結(jié)果。

6. 指示單元：LED指示燈和蜂鳴器，用于狀態(tài)指示和預(yù)警提示。

系統(tǒng)工作原理

1. 超聲波測距原理

超聲波測距的基本原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度恒定，通過測量超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間差來計(jì)算距離。設(shè)超聲波的傳播速度為c（在空氣中約為343米/秒），傳播時(shí)間為t，則超聲波往返的距離S為：

S = c * t

由于測量的是單程距離，因此實(shí)際距離L為：

L = S / 2

2. 工作流程

• STM8S103F3P6單片機(jī)控制超聲波傳感器HC-SR04發(fā)射一個(gè)短暫的40KHz超聲波脈沖。

• 單片機(jī)進(jìn)入等待模式，通過內(nèi)部定時(shí)器記錄從發(fā)射到接收到回波的時(shí)間差t。

• 根據(jù)時(shí)間差t和超聲波的傳播速度c，計(jì)算出超聲波往返的距離S，進(jìn)而得到目標(biāo)距離L。

• 同時(shí)，通過DS18B20溫度傳感器實(shí)時(shí)測量環(huán)境溫度，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償以提高測量精度。

• 計(jì)算結(jié)果通過OLED顯示屏顯示出來，并根據(jù)測量值通過LED指示燈和蜂鳴器進(jìn)行狀態(tài)指示和預(yù)警提示。

硬件設(shè)計(jì)

1. MCU單元

STM8S103F3P6單片機(jī)作為主控芯片，負(fù)責(zé)整個(gè)電路的控制和數(shù)據(jù)處理。其引腳配置如下：

• GPIO口：用于控制超聲波傳感器的發(fā)射和接收狀態(tài)，以及驅(qū)動(dòng)顯示模塊和指示單元。

• ADC口：用于將傳感器的模擬信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字值，以便單片機(jī)進(jìn)行處理。

• 定時(shí)器：用于記錄超聲波的發(fā)射與接收時(shí)間差。

2. 超聲波模塊

采用HC-SR04超聲波傳感器，其工作原理如下：

• VCC和GND分別接電源和地。

• Trig引腳接STM8S103F3P6的一個(gè)GPIO口，用于控制超聲波的發(fā)射。

• Echo引腳接STM8S103F3P6的另一個(gè)GPIO口（帶中斷功能），用于接收超聲波的回波信號。

3. 測溫單元

使用DS18B20溫度傳感器，其工作原理如下：

• VCC和GND分別接電源和地。

• DQ引腳接STM8S103F3P6的一個(gè)GPIO口（通過單總線協(xié)議通信）。

4. 顯示單元

采用OLED顯示屏，用于顯示測量結(jié)果。其工作原理如下：

• VCC和GND分別接電源和地。

• 數(shù)據(jù)接口（如SPI或I2C）接STM8S103F3P6的相應(yīng)GPIO口。

5. 指示單元

包括LED指示燈和蜂鳴器，用于狀態(tài)指示和預(yù)警提示。其工作原理如下：

• LED指示燈：通過STM8S103F3P6的GPIO口控制其亮滅狀態(tài)。

• 蜂鳴器：通過STM8S103F3P6的GPIO口控制其發(fā)聲狀態(tài)。

6. 電源模塊

采用5V穩(wěn)壓直流電源，可由自鎖開關(guān)控制選擇是用USB或者是排針輸入。

軟件設(shè)計(jì)

1. 程序總體結(jié)構(gòu)

軟件設(shè)計(jì)采用模塊化思想，主要包括以下幾個(gè)模塊：

• 初始化模塊：用于初始化單片機(jī)、超聲波傳感器、溫度傳感器、顯示模塊和指示單元等。

• 超聲波測距模塊：用于控制超聲波傳感器的發(fā)射和接收，并計(jì)算距離。

• 溫度補(bǔ)償模塊：用于實(shí)時(shí)測量環(huán)境溫度，并進(jìn)行溫度補(bǔ)償以提高測量精度。

• 顯示模塊：用于將測量結(jié)果顯示在OLED屏幕上。

• 指示模塊：用于根據(jù)測量值通過LED指示燈和蜂鳴器進(jìn)行狀態(tài)指示和預(yù)警提示。

• 按鍵處理模塊：用于處理按鍵輸入，調(diào)整預(yù)設(shè)預(yù)警值。

2. 關(guān)鍵代碼實(shí)現(xiàn)

以下是部分關(guān)鍵代碼的實(shí)現(xiàn)示例：

// 初始化函數(shù)  

void Initialization(void)  

{

// 初始化單片機(jī)  

STM8S_Clock_DeInit(); // 時(shí)鐘初始化  

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

STM8S_ADC1_DeInit(); // ADC初始化  

STM8S_TIM2_DeInit(); // 定時(shí)器初始化  



// 初始化超聲波傳感器  

GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_0; // Trig引腳  

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP_Low_Speed;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_PIN_1; // Echo引腳  

GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;

GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);



// 初始化溫度傳感器  

// ...（省略具體代碼）  



// 初始化顯示模塊  

// ...（省略具體代碼）  



// 初始化指示單元  

// ...（省略具體代碼）  

}



// 超聲波測距函數(shù)  

uint16_t Measure_Distance(void)  

{

uint16_t distance = 0;

uint32_t time = 0;



// 發(fā)射超聲波信號  

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0);

Delay_us(10); // 延時(shí)10us  

GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0);



// 等待Echo引腳高電平信號  

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



// 定時(shí)器開始計(jì)時(shí)  

TIM2_TimeBaseInit(TIM2_PRESCALER_1, 0xFFFF); // 定時(shí)器預(yù)設(shè)值  

TIM2_Cmd(ENABLE); // 啟動(dòng)定時(shí)器  



// 等待Echo引腳低電平信號  

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



// 獲取定時(shí)器計(jì)數(shù)值  

time = TIM2_GetCounter();

TIM2_Cmd(DISABLE); // 停止定時(shí)器  



// 計(jì)算距離（假設(shè)聲波速度為343m/s）  

distance = (uint16_t)((time * 34300) / 20000); // 轉(zhuǎn)換為厘米  



return distance;

}



// 溫度補(bǔ)償函數(shù)  

void Temperature_Compensation(uint16_t *distance, float temperature)  

{

// 根據(jù)溫度對聲速進(jìn)行補(bǔ)償（具體補(bǔ)償公式根據(jù)實(shí)際情況確定）  

// ...（省略具體代碼）  

}



// 主函數(shù)  

int main(void)  

{

uint16_t distance;

float temperature;

主函數(shù)

碼

Initialization(); // 初始化  



while (1)

{

// 測量環(huán)境溫度  

temperature = Measure_Temperature(); // 假設(shè)此函數(shù)返回以攝氏度為單位的溫度值  



// 測量距離  

distance = Measure_Distance();



// 溫度補(bǔ)償  

Temperature_Compensation(&distance, temperature);



// 顯示測量結(jié)果  

Display_Distance(distance); // 假設(shè)此函數(shù)負(fù)責(zé)將距離值顯示在OLED屏幕上  



// 狀態(tài)指示和預(yù)警提示  

Indicate_Status(distance); // 假設(shè)此函數(shù)根據(jù)距離值控制LED指示燈和蜂鳴器  



// 按鍵處理  

Process_Keys(); // 假設(shè)此函數(shù)負(fù)責(zé)處理按鍵輸入，調(diào)整預(yù)設(shè)預(yù)警值  



// 延時(shí)一段時(shí)間  

Delay_ms(100); // 假設(shè)此函數(shù)實(shí)現(xiàn)毫秒級延時(shí)  

}

}



// 測量溫度函數(shù)（示例）  

float Measure_Temperature(void)  

{

// 此處省略DS18B20溫度傳感器的具體通信和數(shù)據(jù)處理代碼  

// 假設(shè)返回的溫度值為浮點(diǎn)數(shù)，單位為攝氏度  

return 25.0; // 示例返回值，實(shí)際應(yīng)根據(jù)DS18B20的通信結(jié)果計(jì)算得出  

}



// 顯示距離函數(shù)（示例）  

void Display_Distance(uint16_t distance)  

{

// 此處省略O(shè)LED顯示屏的具體通信和顯示代碼  

// 假設(shè)OLED顯示屏已經(jīng)初始化，并能夠通過特定的函數(shù)接口顯示字符串或數(shù)字  

char buffer[16];

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

OLED_DisplayString(buffer); // 假設(shè)此函數(shù)負(fù)責(zé)將字符串顯示在OLED屏幕上  

}



// 狀態(tài)指示和預(yù)警提示函數(shù)（示例）  

void Indicate_Status(uint16_t distance)  

{

// 假設(shè)預(yù)設(shè)預(yù)警值為50cm  

#define WARNING_DISTANCE 50  



if (distance < WARNING_DISTANCE)

{

// 距離小于預(yù)警值，點(diǎn)亮紅色LED并發(fā)出蜂鳴聲  

GPIO_SetBits(GPIOB, GPIO_PIN_0); // 假設(shè)紅色LED連接在GPIOB的PIN0上  

BUZZER_ON(); // 假設(shè)此宏定義控制蜂鳴器發(fā)聲  

}

else  

{

// 距離大于或等于預(yù)警值，熄滅紅色LED并停止蜂鳴聲  

GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_PIN_0);

BUZZER_OFF(); // 假設(shè)此宏定義控制蜂鳴器停止發(fā)聲  

}

}



// 按鍵處理函數(shù)（示例）  

void Process_Keys(void)  

{

// 此處省略按鍵掃描和處理的代碼  

// 假設(shè)按鍵能夠調(diào)整預(yù)設(shè)預(yù)警值WARNING_DISTANCE  

// 按鍵按下時(shí)，可以增加或減少預(yù)警值，并保存到非易失性存儲(chǔ)器中（如EEPROM）  

}



// 延時(shí)函數(shù)（毫秒級）  

void Delay_ms(uint32_t ms)  

{

// 使用定時(shí)器實(shí)現(xiàn)毫秒級延時(shí)  

// 此處省略具體實(shí)現(xiàn)代碼，可以根據(jù)STM8S103F3P6的定時(shí)器特性自行編寫  

}



// 延時(shí)函數(shù)（微秒級）  

void Delay_us(uint16_t us)  

{

// 使用循環(huán)實(shí)現(xiàn)微秒級延時(shí)，注意此方法精度較低，僅適用于對延時(shí)精度要求不高的場合  

// 具體實(shí)現(xiàn)可以根據(jù)STM8S103F3P6的指令周期和時(shí)鐘頻率進(jìn)行計(jì)算  

while (us--);

}

溫度補(bǔ)償算法

溫度補(bǔ)償是提高超聲波測距精度的關(guān)鍵之一。由于超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響，因此需要根據(jù)實(shí)時(shí)測量的環(huán)境溫度對測量結(jié)果進(jìn)行修正。常見的溫度補(bǔ)償算法如下：

1. 線性補(bǔ)償法：根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，擬合出超聲波傳播速度與溫度之間的線性關(guān)系，然后利用該關(guān)系對測量結(jié)果進(jìn)行修正。

2. 多項(xiàng)式補(bǔ)償法：如果線性關(guān)系不夠準(zhǔn)確，可以采用多項(xiàng)式擬合的方法，建立超聲波傳播速度與溫度之間的多項(xiàng)式關(guān)系，進(jìn)行更精確的補(bǔ)償。

3. 查找表法：預(yù)先測量并存儲(chǔ)不同溫度下的超聲波傳播速度，測量時(shí)根據(jù)實(shí)時(shí)溫度查找對應(yīng)的傳播速度進(jìn)行補(bǔ)償。

在本設(shè)計(jì)方案中，可以根據(jù)實(shí)際情況選擇合適的溫度補(bǔ)償算法，并將其實(shí)現(xiàn)為Temperature_Compensation函數(shù)的一部分。

結(jié)論

基于STM8S103F3P6的超聲波測距儀設(shè)計(jì)方案具有成本低、功耗低、精度高、易于實(shí)現(xiàn)等優(yōu)點(diǎn)。通過合理的硬件設(shè)計(jì)和軟件編程，可以實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定可靠的超聲波測距功能，并可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行功能擴(kuò)展和優(yōu)化。本設(shè)計(jì)方案可作為相關(guān)領(lǐng)域的參考和借鑒，為超聲波測距技術(shù)的應(yīng)用提供有力支持。