基于STM8S103F3P6的超聲波測距儀設計方案

引言

超聲波測距儀是一種利用超聲波傳播時間來測量距離的設備，在工程、科研以及日常生活中有著廣泛的應用。超聲波測距具有非接觸、指向性好、傳播速度恒定、易于檢測等優點，能夠在極端或惡劣的工作環境中保障操作人員的人身安全，并能實時測量。本文將詳細介紹基于STM8S103F3P6的超聲波測距儀設計方案。

主控芯片介紹

型號及特性

• 型號：STM8S103F3P6

• 廠商：STMicroelectronics（意法半導體）

• 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、智能化的嵌入式應用。

• 擁有32KB的閃存和2KB的SRAM。

• 內置ADC（模數轉換器）和定時器，能夠處理超聲波信號的發射與接收。

• 具有3級流水線的哈佛結構與擴展指令集的內核，性能穩定，運算速度快。

• 支持多次重復擦寫的Flash程序存儲器，時鐘控制靈活方便，有多種寄存器。

• 時鐘源包括外部時鐘輸入、內部低功耗128kHz RC等四個主時鐘源。

• 含有窗口看門狗和獨立看門狗兩個看門狗定時器，中斷資源豐富。

在設計中的作用

STM8S103F3P6作為主控芯片，在超聲波測距儀的設計中起到了核心作用。通過其內部定時器記錄超聲波的發射與接收時間差，并利用ADC將傳感器的模擬信號轉換為數字值，從而實現距離的精確測量。同時，STM8S103F3P6還通過GPIO接口控制超聲波傳感器的發射和接收狀態，并通過串行通信能力驅動顯示模塊，如OLED顯示屏或LED指示燈，用于顯示測量結果和狀態指示。

超聲波測距儀設計方案

系統總體架構

超聲波測距儀主要由以下幾個部分組成：

1. MCU單元：STM8S103F3P6單片機，控制整個電路的運行。

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

3. 測溫單元：使用DS18B20溫度傳感器，實時測量環境溫度，用于溫度補償以提高測量精度。

4. 按鍵單元：用于調整預設預警值。

5. 顯示單元：OLED顯示屏，用于顯示測量結果。

6. 指示單元：LED指示燈和蜂鳴器，用于狀態指示和預警提示。

系統工作原理

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射到接收的時間差來計算距離。設超聲波的傳播速度為c（在空氣中約為343米/秒），傳播時間為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，因此實際距離L為：

L = S / 2

2. 工作流程

• STM8S103F3P6單片機控制超聲波傳感器HC-SR04發射一個短暫的40KHz超聲波脈沖。

• 單片機進入等待模式，通過內部定時器記錄從發射到接收到回波的時間差t。

• 根據時間差t和超聲波的傳播速度c，計算出超聲波往返的距離S，進而得到目標距離L。

• 同時，通過DS18B20溫度傳感器實時測量環境溫度，并進行溫度補償以提高測量精度。

• 計算結果通過OLED顯示屏顯示出來，并根據測量值通過LED指示燈和蜂鳴器進行狀態指示和預警提示。

硬件設計

1. MCU單元

STM8S103F3P6單片機作為主控芯片，負責整個電路的控制和數據處理。其引腳配置如下：

• GPIO口：用于控制超聲波傳感器的發射和接收狀態，以及驅動顯示模塊和指示單元。

• ADC口：用于將傳感器的模擬信號轉換為數字值，以便單片機進行處理。

• 定時器：用于記錄超聲波的發射與接收時間差。

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GPIO口，用于控制超聲波的發射。

• Echo引腳接STM8S103F3P6的另一個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GPIO口（通過單總線協議通信）。

4. 顯示單元

采用OLED顯示屏，用于顯示測量結果。其工作原理如下：

• VCC和GND分別接電源和地。

• 數據接口（如SPI或I2C）接STM8S103F3P6的相應GPIO口。

5. 指示單元

包括LED指示燈和蜂鳴器，用于狀態指示和預警提示。其工作原理如下：

• LED指示燈：通過STM8S103F3P6的GPIO口控制其亮滅狀態。

• 蜂鳴器：通過STM8S103F3P6的GPIO口控制其發聲狀態。

6. 電源模塊

采用5V穩壓直流電源，可由自鎖開關控制選擇是用USB或者是排針輸入。

軟件設計

1. 程序總體結構

軟件設計采用模塊化思想，主要包括以下幾個模塊：

• 初始化模塊：用于初始化單片機、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射和接收，并計算距離。

• 溫度補償模塊：用于實時測量環境溫度，并進行溫度補償以提高測量精度。

• 顯示模塊：用于將測量結果顯示在OLED屏幕上。

• 指示模塊：用于根據測量值通過LED指示燈和蜂鳴器進行狀態指示和預警提示。

• 按鍵處理模塊：用于處理按鍵輸入，調整預設預警值。

2. 關鍵代碼實現

以下是部分關鍵代碼的實現示例：

// 初始化函數  

void Initialization(void)  

{

// 初始化單片機  

STM8S_Clock_DeInit(); // 時鐘初始化  

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  

uint16_t Measure_Distance(void)  

{

uint16_t distance = 0;

uint32_t time = 0;



// 發射超聲波信號  

GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_PIN_0);

Delay_us(10); // 延時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);



// 定時器開始計時  

TIM2_TimeBaseInit(TIM2_PRESCALER_1, 0xFFFF); // 定時器預設值  

TIM2_Cmd(ENABLE); // 啟動定時器  



// 等待Echo引腳低電平信號  

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



// 獲取定時器計數值  

time = TIM2_GetCounter();

TIM2_Cmd(DISABLE); // 停止定時器  



// 計算距離（假設聲波速度為343m/s）  

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



return distance;

}



// 溫度補償函數  

void Temperature_Compensation(uint16_t *distance, float temperature)  

{

// 根據溫度對聲速進行補償（具體補償公式根據實際情況確定）  

// ...（省略具體代碼）  

}



// 主函數  

int main(void)  

{

uint16_t distance;

float temperature;

主函數

碼

Initialization(); // 初始化  



while (1)

{

// 測量環境溫度  

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



// 測量距離  

distance = Measure_Distance();



// 溫度補償  

Temperature_Compensation(&distance, temperature);



// 顯示測量結果  

Display_Distance(distance); // 假設此函數負責將距離值顯示在OLED屏幕上  



// 狀態指示和預警提示  

Indicate_Status(distance); // 假設此函數根據距離值控制LED指示燈和蜂鳴器  



// 按鍵處理  

Process_Keys(); // 假設此函數負責處理按鍵輸入，調整預設預警值  



// 延時一段時間  

Delay_ms(100); // 假設此函數實現毫秒級延時  

}

}



// 測量溫度函數（示例）  

float Measure_Temperature(void)  

{

// 此處省略DS18B20溫度傳感器的具體通信和數據處理代碼  

// 假設返回的溫度值為浮點數，單位為攝氏度  

return 25.0; // 示例返回值，實際應根據DS18B20的通信結果計算得出  

}



// 顯示距離函數（示例）  

void Display_Distance(uint16_t distance)  

{

// 此處省略OLED顯示屏的具體通信和顯示代碼  

// 假設OLED顯示屏已經初始化，并能夠通過特定的函數接口顯示字符串或數字  

char buffer[16];

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

OLED_DisplayString(buffer); // 假設此函數負責將字符串顯示在OLED屏幕上  

}



// 狀態指示和預警提示函數（示例）  

void Indicate_Status(uint16_t distance)  

{

// 假設預設預警值為50cm  

#define WARNING_DISTANCE 50  



if (distance < WARNING_DISTANCE)

{

// 距離小于預警值，點亮紅色LED并發出蜂鳴聲  

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

BUZZER_ON(); // 假設此宏定義控制蜂鳴器發聲  

}

else  

{

// 距離大于或等于預警值，熄滅紅色LED并停止蜂鳴聲  

GPIO_ResetBits(GPIOB, GPIO_PIN_0);

BUZZER_OFF(); // 假設此宏定義控制蜂鳴器停止發聲  

}

}



// 按鍵處理函數（示例）  

void Process_Keys(void)  

{

// 此處省略按鍵掃描和處理的代碼  

// 假設按鍵能夠調整預設預警值WARNING_DISTANCE  

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

}



// 延時函數（毫秒級）  

void Delay_ms(uint32_t ms)  

{

// 使用定時器實現毫秒級延時  

// 此處省略具體實現代碼，可以根據STM8S103F3P6的定時器特性自行編寫  

}



// 延時函數（微秒級）  

void Delay_us(uint16_t us)  

{

// 使用循環實現微秒級延時，注意此方法精度較低，僅適用于對延時精度要求不高的場合  

// 具體實現可以根據STM8S103F3P6的指令周期和時鐘頻率進行計算  

while (us--);

}

溫度補償算法

溫度補償是提高超聲波測距精度的關鍵之一。由于超聲波在空氣中的傳播速度受溫度影響，因此需要根據實時測量的環境溫度對測量結果進行修正。常見的溫度補償算法如下：

1. 線性補償法：根據實驗數據，擬合出超聲波傳播速度與溫度之間的線性關系，然后利用該關系對測量結果進行修正。

2. 多項式補償法：如果線性關系不夠準確，可以采用多項式擬合的方法，建立超聲波傳播速度與溫度之間的多項式關系，進行更精確的補償。

3. 查找表法：預先測量并存儲不同溫度下的超聲波傳播速度，測量時根據實時溫度查找對應的傳播速度進行補償。

在本設計方案中，可以根據實際情況選擇合適的溫度補償算法，并將其實現為Temperature_Compensation函數的一部分。

結論

基于STM8S103F3P6的超聲波測距儀設計方案具有成本低、功耗低、精度高、易于實現等優點。通過合理的硬件設計和軟件編程，可以實現穩定可靠的超聲波測距功能，并可根據實際需求進行功能擴展和優化。本設計方案可作為相關領域的參考和借鑒，為超聲波測距技術的應用提供有力支持。