基于STM32单片机超声波测速测距防撞报警设计
1 系统功能介绍
本设计是一套基于 STM32F103C8T6 单片机 的超声波测速测距防撞报警系统，能够实现对目标物体的实时测距与测速，并通过 TFT 彩屏进行动态显示，同时根据用户设定的距离与速度阈值进行报警提示。该系统不仅可以用于固定场景的安全监控，还可以应用于移动平台的防撞控制，例如小车、机械臂、无人机等。
系统的主要功能如下：
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超声波实时测距与测速
系统通过 HC-SR04 超声波测距模块实时获取物体距离，并通过连续多次测量计算物体的速度，测速单位为 m/s，测距单位为 m。 -
多模式报警功能
用户可通过按键设置报警模式，包括：- 距离+速度同时报警
- 仅距离报警
- 仅速度报警
- 无报警模式
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多级报警机制
当距离小于设定阈值时，蜂鸣器会根据距离不同发出不同频率的提示音：- 小于 0.6m：稍急报警
- 小于 0.3m：急报警
- 小于 0.1m：急促报警
同时液晶显示的波形个数随距离变化而变化，距离越近波形越少。
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阈值可调与掉电保存
用户可通过按键 K1、K2、K3 分别设置距离阈值、速度阈值、报警模式，数据保存在 STM32 内部 Flash 中，掉电不丢失。 -
TFT1.44 彩屏动态显示
屏幕实时显示测量数据、报警状态和动态波形，让用户直观了解当前的安全状态。
2 系统电路设计
2.1 单片机最小系统模块
系统核心为 STM32F103C8T6 单片机，其最小系统包括：
- 电源电路：使用 3.3V LDO 稳压芯片（如 AMS1117-3.3）将外部 5V 转换为单片机工作电压。
- 时钟电路：外接 8MHz 晶振作为系统主时钟，搭配 32.768kHz 晶振作为 RTC 时钟（可选）。
- 复位电路：通过上拉电阻和复位按键实现系统复位。
2.2 超声波测距模块电路
采用 HC-SR04 超声波传感器：
- Trig 引脚：由 STM32 输出 10μs 高电平启动测量。
- Echo 引脚：返回高电平脉冲宽度，对应声波往返时间，通过公式
距离 = (脉宽 * 声速) / 2计算距离。 - 模块通过 5V 工作，信号引脚经过分压电路适配 3.3V。
2.3 TFT 彩屏显示模块
使用 TFT1.44 寸彩屏（ST7735 驱动芯片）：
- 采用 SPI 接口与 STM32 连接（SCK、MOSI、CS、DC、RST）。
- 显示实时距离、速度、报警状态及动态波形。
- 彩屏在显示报警时可更改背景颜色，提高警示效果。
2.4 蜂鸣器报警驱动电路
蜂鸣器采用有源蜂鸣器，通过 NPN 三极管（如 9013）驱动：
- 当 STM32 输出高电平时，三极管导通，蜂鸣器鸣叫。
- 通过 PWM 控制报警音的频率，实现不同报警节奏。
2.5 按键输入电路
系统设计 3 个按键：
- K1：设置/调整距离阈值
- K2：设置/调整速度阈值
- K3：切换报警模式
按键采用上拉电阻方式，按下时输入低电平，结合软件去抖动处理。
2.6 电源电路
整机由 5V 电源供电，主要电源路径：
- 5V 直接供给超声波模块、蜂鸣器等。
- 5V 经 LDO 转换为 3.3V 供给 STM32 和 TFT 屏。
3 程序设计
3.1 主程序架构
系统程序基于 STM32 HAL 库 开发，主要流程如下：
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系统初始化（时钟、GPIO、SPI、定时器等）
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TFT 屏显示初始化界面
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读取 Flash 中保存的阈值与模式
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进入主循环：
- 采集距离数据
- 计算速度
- 根据模式判断是否报警
- 更新 TFT 屏显示
- 按键检测与参数修改
3.2 超声波测距程序
通过定时器捕获模式测量 Echo 脉宽：
float Get_Distance(void) {uint32_t time;HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_SET);delay_us(10);HAL_GPIO_WritePin(TRIG_GPIO_Port, TRIG_Pin, GPIO_PIN_RESET);while(HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_GPIO_Port, ECHO_Pin) == GPIO_PIN_RESET);__HAL_TIM_SET_COUNTER(&htim2, 0);while(HAL_GPIO_ReadPin(ECHO_GPIO_Port, ECHO_Pin) == GPIO_PIN_SET);time = __HAL_TIM_GET_COUNTER(&htim2);return (float)time * 0.000001 * 340.0 / 2.0;
}
3.3 速度计算程序
速度通过两次测距结果计算：
float Calculate_Speed(float d1, float d2, float dt) {return (d1 - d2) / dt; // m/s
}
3.4 TFT 显示程序
使用 ST7735 驱动库显示数据：
void Display_Data(float distance, float speed, uint8_t mode) {ST7735_FillScreen(ST7735_BLACK);char buf[20];sprintf(buf, "D:%.2fm", distance);ST7735_WriteString(0, 0, buf, Font_11x18, ST7735_WHITE, ST7735_BLACK);sprintf(buf, "V:%.2fm/s", speed);ST7735_WriteString(0, 20, buf, Font_11x18, ST7735_WHITE, ST7735_BLACK);sprintf(buf, "Mode:%d", mode);ST7735_WriteString(0, 40, buf, Font_11x18, ST7735_WHITE, ST7735_BLACK);
}
3.5 报警控制程序
根据阈值与模式判断报警：
void Check_Alarm(float distance, float speed) {if(mode == 1 && (distance < dist_threshold || speed > speed_threshold)) {Beep_Control(distance);} else if(mode == 2 && distance < dist_threshold) {Beep_Control(distance);} else if(mode == 3 && speed > speed_threshold) {Beep_Control(distance);}
}
3.6 蜂鸣器节奏控制
void Beep_Control(float distance) {if(distance < 0.1) Beep_Fast();else if(distance < 0.3) Beep_Mid();else if(distance < 0.6) Beep_Slow();
}
3.7 按键扫描与参数设置
void Key_Scan(void) {if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY1_GPIO_Port, KEY1_Pin) == GPIO_PIN_RESET) {dist_threshold += 0.1;Save_Params();}if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY2_GPIO_Port, KEY2_Pin) == GPIO_PIN_RESET) {speed_threshold += 0.1;Save_Params();}if(HAL_GPIO_ReadPin(KEY3_GPIO_Port, KEY3_Pin) == GPIO_PIN_RESET) {mode = (mode + 1) % 4;Save_Params();}
}
3.8 Flash 数据保存
void Save_Params(void) {HAL_FLASH_Unlock();// 擦除与写入操作HAL_FLASH_Lock();
}
4 总结
该系统通过 STM32F103C8T6 单片机 结合 超声波测距、速度计算、TFT 彩屏显示与蜂鸣器报警，实现了集测距、测速、防撞报警于一体的功能。
系统设计注重 实时性、可调节性与数据掉电保存，能够适应多种应用场景。
未来可扩展功能包括：
- 增加多个超声波传感器实现多方向监测
- 通过无线模块将测量数据上传至上位机或手机
- 增加语音提示功能提升人机交互体验