1. 项目背景与硬件选型

大家好，我是单片机阿伟，今天咱们来聊聊怎么用STM32F103C8T6这款性价比超高的单片机驱动HC-SR04超声波模块实现高精度测距，并且把数据通过串口打印出来可视化。这个项目特别适合嵌入式初学者，既能学习传感器数据采集，又能掌握串口通信，一举两得。

先说说为什么选STM32F103C8T6和HC-SR04。STM32F103C8T6是ST的经典款，72MHz主频、64KB Flash、20KB RAM，资源足够丰富，价格还便宜，江湖人称"蓝色小药丸"，调试起来特别方便。HC-SR04超声波模块就更不用说了，淘宝上几块钱一个，测距范围2cm-450cm，精度能达到3mm，关键是使用简单，就四个引脚：VCC、GND、Trig（触发）、Echo（回波）。

实际项目中，我发现在室内环境下，HC-SR04的稳定性相当不错，但要注意避免强噪声环境和柔软吸音材料表面。有一次我测试窗帘距离，数据就跳得厉害，后来换成墙面就稳定了。所以选型时要考虑实际应用场景。

2. 工作原理与硬件连接

HC-SR04的工作原理其实很简单，就像我们在山谷里喊话听回声一样。模块工作时，我们先给Trig引脚一个至少10μs的高电平脉冲，它就会发射一组40kHz的超声波。声波遇到障碍物反射回来，模块检测到回波后，会在Echo引脚输出一个高电平，这个高电平的持续时间就是声波往返的时间。

距离计算公式很简单：距离 = (高电平时间 × 声速) / 2。声速在常温下约340m/s，换算成厘米微秒就是除以58。所以实际计算时直接用高电平时间（微秒）除以58就能得到厘米为单位的距离。

接线方面特别要注意：

• VCC接5V，GND接GND
• Trig接PA0（任意GPIO都可以）
• Echo接PA1（最好用支持定时器输入的引脚）

我在实际接线时踩过一个坑：一开始用杜邦线连接，数据老是跳变，后来发现是线太长引入了干扰。换成短线后就稳定多了。所以建议接线尽量短，如果必须用长线，最好加上屏蔽。

3. 开发环境搭建

首先得准备好开发环境。我习惯用Keil MDK，版本5.25以上都比较稳定。新建工程时记得选对器件型号：STM32F103C8T6。然后要配置好时钟，这个芯片最高能跑到72MHz，咱们就按最大性能来。

需要包含的库文件有：

• stm32f10x_gpio.c
• stm32f10x_tim.c
• stm32f10x_usart.c
• stm32f10x_rcc.c

在配置系统时钟时，我推荐直接用官方提供的SystemInit()函数，它会自动配置好72MHz的主频。有时候初学者会忘记调用这个函数，结果程序跑在默认的8MHz下，什么定时器、串口时序全乱了。

串口配置我用的是USART1，PA9作TX，PA10作RX，波特率115200。这个速率足够传输距离数据了，如果想实时可视化，还可以考虑用串口绘图工具。

4. 定时器精准计时实现

定时器是本次项目的核心，我们要用TIM4来精确测量Echo高电平的持续时间。为什么选TIM4？因为它是个通用定时器，用起来简单，不占用系统关键资源。

配置定时器时，我设置预分频器psc=71，自动重装载值arr=999，这样每个计数周期是1μs（72MHz/(71+1)=1MHz），最大能测量到1ms*65535=65.535ms，对应约11米的测距范围，完全够用。

中断服务程序里主要做一件事：记录溢出次数。每次定时器溢出，msHcCount就加1。这个变量要用volatile修饰，避免编译器优化出错。

void TIM4_IRQHandler(void)
{
    if (TIM_GetITStatus(TIM4, TIM_IT_Update) != RESET)
    {
        TIM_ClearITPendingBit(TIM4, TIM_IT_Update);
        msHcCount++;
    }
}

实测中发现，如果不开中断，单纯用轮询方式读取计数器值，精度会差一些。因为主循环可能被其他中断打断，导致读数不准。所以还是建议用中断+计数器的组合方式。

5. 超声波模块驱动编写

驱动代码主要分三部分：初始化、触发测量、读取时间。初始化时要配置好GPIO，Trig引脚推挽输出，Echo引脚浮空输入。这里要注意，Echo绝对不能设为上拉或下拉，否则会影响高电平的检测。

触发信号的时序很关键，必须至少10μs的高电平。我实际测试发现，20μs比较稳妥，太短了可能触发不了，太长了又浪费电。所以代码里用delay_us(20)来确保触发成功。

测量距离的函数我做了5次采样然后取平均，这样能有效抑制随机误差。有一次我测试水温对测距的影响，发现温度变化时声速会变，但5次平均后数据还是很稳定。

float UltrasonicGetLength(void)
{
    u32 t = 0;
    int i = 0;
    float lengthTemp = 0;
    float sum = 0;
    
    while(i != 5)  // 取5次测量平均值
    {
        TRIG_Send = 1;
        delay_us(20);
        TRIG_Send = 0;
        
        while(ECHO_Reci == 0);  // 等待回波高电平
        OpenTimerForHc();
        
        while(ECHO_Reci == 1);  // 等待回波低电平
        CloseTimerForHc();
        
        t = GetEchoTimer();
        lengthTemp = ((float)t / 58.0);
        sum += lengthTemp;
        i++;
    }
    return sum / 5.0;
}

6. 数据滤波与稳定性优化

原始数据往往带有噪声，直接使用会跳变得很厉害。除了5次平均滤波，我还试过其他滤波方法。中值滤波效果不错，就是实现起来稍复杂。移动平均滤波简单但响应会变慢。

对于要求更高的场合，可以结合温度传感器动态修正声速。因为声速随温度变化很大，每升高1℃，声速约增加0.6m/s。可以用DS18B20测环境温度，然后用公式：声速=331.5+0.6*温度（℃）。

硬件方面也可以优化：在VCC和GND之间加个100nF的退耦电容，能有效抑制电源噪声。Echo信号线上可以加个100Ω的串阻，防止振铃现象。

我在一个机器人项目中就用了温度补偿，测距精度从±1cm提高到了±2mm。不过对于一般应用，软件滤波已经足够了。

7. 串口数据输出与可视化

串口配置要注意波特率匹配，我常用115200bps，8位数据位，无校验，1位停止位。发送数据时可以用printf重定向，这样调试起来特别方便。

// 在usart.c中添加以下代码
#ifdef __GNUC__
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int __io_putchar(int ch)
#else
#define PUTCHAR_PROTOTYPE int fputc(int ch, FILE *f)
#endif

PUTCHAR_PROTOTYPE
{
    USART_SendData(USART1, (uint8_t) ch);
    while(USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TC) == RESET);
    return ch;
}

数据格式也很重要。我推荐用JSON格式输出，这样上位机解析起来方便。比如：{"distance":25.3,"unit":"cm"}。如果想实时可视化，可以用Serial Chart、CoolTerm这些工具，它们能实时绘制数据曲线。

有一次我帮学弟调试，发现串口数据老是断断续续。后来发现是delay放错了地方，导致发送间隔不稳定。所以建议用定时器定时发送，比如每100ms发送一次数据，这样波形图看起来就很流畅。

8. 实战调试与问题排查

调试时最容易遇到几个问题：一是读到的距离永远是0，二是数据跳变太大，三是测量范围不够。

如果距离总是0，先检查Trig触发信号有没有产生，用示波器看是不是真的有20μs高电平。然后检查Echo引脚，看是否有高电平输出。有时候模块坏了，怎么测都是0。

数据跳变大的话，首先要排除环境干扰。超声波对温度和气流都很敏感，最好在室内静止空气中测试。软件上可以增加滤波次数，或者改用更复杂的滤波算法。

测量范围不足可能是硬件限制，HC-SR04标称4.5m，但实际上超过3m后精度就下降了。如果真要测远距离，可以考虑换其他型号，比如US-100。

我总结了个调试清单：

1. 电源电压是否稳定（5V±0.5V）
2. 接线是否正确牢固
3. 触发信号时序对不对
4. 环境是否有强噪声或振动
5. 被测物体是否适合超声波测距

9. 进阶优化与扩展应用

基础功能实现后，还可以做很多优化。比如用输入捕获功能来替代轮询检测Echo引脚，这样能大大提高效率，减少CPU占用。

// 输入捕获配置示例
TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_2;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x0;
TIM_ICInit(TIM4, &TIM_ICInitStructure);

还可以加上超时检测，避免因为没收到回波而卡死程序。我一般设50ms超时，超过这个时间就认为测量失败返回错误值。

扩展应用方面，可以用多个超声波模块做360度测距，或者加上蓝牙模块把数据无线传输到手机。我在智能小车上就用了4个HC-SR04，实现了全向避障功能。

如果想进一步降低功耗，可以间歇工作模式。比如每秒钟只测量一次，其他时间让单片机进入睡眠模式。这样整个系统的工作电流能从30mA降到5mA以下，特别适合电池供电的应用。

最后提醒一点，超声波测距有个盲区，大约是2cm左右，太近的物体是测不准的。所以设计时要留出足够余地，或者用其他传感器如红外来补盲。