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：

1. 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。

2. 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

3. 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。

4. 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。

5. 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。

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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。

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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：

1. 系统初始化（时钟、GPIO、SPI、定时器等）

2. TFT 屏显示初始化界面

3. 读取 Flash 中保存的阈值与模式

4. 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();
}

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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