一、项目概述

本项目基于 STM32F103C8T6 主控，搭配 HC-SR04 超声波测距模块、I2C OLED 屏幕实现实时距离测量。 整体流程：STM32 PB4 输出 15μs 触发信号启动测距→HC-SR04 发射 40kHz 超声波→物体反射回波→ECHO 输出对应往返时间的高电平→TIM2 定时器精准测量脉宽→声速公式换算距离→OLED 实时展示厘米数值。 适合单片机入门、传感器实训课堂教学，完整覆盖硬件接线、时序原理、定时器配置、软件逻辑、常见踩坑问题。

演示视频：STM32F103+HC-SR04 超声波测距+OLED 显示完整教程｜原理+接线+代码逻辑+故障排查https://www.bilibili.com/video/BV1TCge6MEf1/?share_source=copy_web&vd_source=91b967b41a17a5686913521545a8c3fb

二、硬件接线对照表

外设引脚 STM32 引脚 功能说明
HC-SR04 TRIG PB4 输出触发脉冲，启动测距
HC-SR04 ECHO PB5 输入回波脉冲，脉宽代表超声波往返时间
HC-SR04 VCC 5V 模块供电，不可用 3.3V
HC-SR04 GND GND 与 STM32、OLED 共地（必做）
OLED SCL PB8 软件 I2C 时钟
OLED SDA PB9 软件 I2C 数据
OLED VCC 3.3V OLED 供电
OLED GND GND 共地
关键接线注意点
  1. ECHO 输出 5V 高电平，PB5 为 5V 容忍引脚可直连；若使用其他 MCU 无 5V 容忍 IO，需 1k+2k 电阻分压降压至 3.3V 左右。
  2. 所有设备必须共地，无共地会出现信号识别异常、测距超时。
  3. PB4 复位默认复用 JTAG NJTRST，代码必须关闭 JTAG 复用，否则无法正常输出 TRIG 信号。

三、HC-SR04 核心工作原理

1. TOF 飞行时间测距法

HC-SR04 内置发射、接收双探头，发送≥10μs 高电平至 TRIG 后，模块自动完成整套动作：

  1. 发射 8 个周期 40kHz 超声波；
  2. ECHO 引脚拉高等待回波；
  3. 收到反射波后拉低 ECHO；
  4. ECHO 高电平时长 = 超声波往返总时间。

测距核心公式推导： 总路程 = 2× 距离 = 声速 × 往返时间 d = v × t / 2

室温声速 340m/s 简化换算： 距离 (cm) = 回波时间 (μs) / 58 完整毫米整数计算公式（单片机无浮点）： measured_mm = (echo_time_us * 10 + 29) / 58 +29 作用：整数除法四舍五入，避免精度丢失。

2. 声速温度误差说明

标准声速公式：v=331.4+0.6T（T 为摄氏度） 本工程未做温度补偿，环境温差大时会出现测量偏差；进阶项目可外接温感动态修正声速。

3. 模块标称参数
  • 供电：5V
  • 工作频率：40kHz
  • 量程：2cm~4m
  • 盲区：2cm 以内无法测量
  • 测量角度：15°
  • 分辨率：约 3mm

四、TRIG&ECHO 标准时序

  1. STM32 输出 15μs 高电平触发（预留裕量，大于模块要求的 10μs 最小值）；
  2. 模块发射 8 个 40kHz 超声波；
  3. ECHO 立刻拉高，等待反射信号；
  4. 收到回波后 ECHO 拉低，高低电平差值即为往返时间 t；
  5. 两次测距间隔建议≥60ms，本程序延时 100ms 防止回波干扰。

五、STM32 底层配置详解

1. GPIO 配置
  • PB4：50MHz 推挽输出，关闭 JTAG 复用，保留 SWD 下载调试功能；
  • PB5：下拉输入，稳定读取 ECHO 电平，无信号时默认低电平。
2. TIM2 定时器微秒计时（核心）

系统时钟 72MHz，APB1 定时器倍频至 72MHz，预分频 71，定时器计数频率 1MHz。 每 1 次计数 = 1μs，无需额外换算，计数值直接等于回波微秒时长。

六、软件完整执行流程

  1. 初始化：GPIO、TIM2、OLED、延时函数；
  2. 单次测距函数逻辑： ① 等待 ECHO 拉低，30ms 超时保护； ② PB4 输出 15μs 触发脉冲； ③ 等待 ECHO 上升沿，30ms 超时； ④ TIM2 清零，持续检测下降沿； ⑤ 捕获下降沿读取总微秒数； ⑥ 公式换算毫米距离，限制 2cm~4m 有效量程；
  3. 测量成功：OLED 打印 XX.X cm；
  4. 超时 / 无回波：OLED 提示 No echo，检查接线。
超时保护作用

三处 30ms 超时判断，防止无目标、接线故障时程序卡死 while 循环，屏幕持续刷新报错信息。

七、核心函数调用示例

u16 distance_mm;
HC_SR04_Init();
// 循环测距
while(1)
{
    if(HC_SR04_ReadDistance(&distance_mm) != 0)
    {
        // 测量成功，distance_mm单位毫米
        OLED_ShowDistance(distance_mm);
    }
    else
    {
        // 超时/接线错误/超量程
        OLED_ShowError();
    }
    delay_ms(100);
}

main.c

#include "delay.h"
#include "sys.h"
#include "oled.h"
#include "HC_SR04.h"

#define HC_SR04_REFRESH_MS      100

static void OLED_ShowDistance(u16 distance_mm);
static void OLED_ShowError(void);

int main(void)
{
	u16 distance_mm;

	delay_init();
	NVIC_Configuration();
	OLED_Init();
	OLED_ColorTurn(0);
	OLED_DisplayTurn(0);
	HC_SR04_Init();

	OLED_Clear();
	OLED_ShowString(36, 0, (u8 *)"HC-SR04", 12);
	OLED_ShowString(10, 18, (u8 *)"TRIG:PB4 ECHO:PB5", 12);
	OLED_ShowString(20, 40, (u8 *)"Initializing", 12);
	OLED_Refresh();
	delay_ms(200);

	while(1)
	{
		if(HC_SR04_ReadDistance(&distance_mm) != 0U)
		{
			OLED_ShowDistance(distance_mm);
		}
		else
		{
			OLED_ShowError();
		}
		delay_ms(HC_SR04_REFRESH_MS);
	}
}

static void OLED_ShowDistance(u16 distance_mm)
{
	u16 distance_cm;
	u8 x;

	OLED_Clear();
	OLED_ShowString(36, 0, (u8 *)"HC-SR04", 12);
	OLED_ShowString(10, 16, (u8 *)"TRIG:PB4 ECHO:PB5", 12);
	OLED_ShowString(10, 32, (u8 *)"Distance:", 12);

	distance_cm = distance_mm / 10U;
	x = 24;

	if(distance_cm >= 100U)
	{
		OLED_ShowChar(x, 46, (u8)(distance_cm / 100U + '0'), 16);
	}
	else
	{
		OLED_ShowChar(x, 46, ' ', 16);
	}
	x += 8;

	if(distance_cm >= 10U)
	{
		OLED_ShowChar(x, 46, (u8)((distance_cm / 10U) % 10U + '0'), 16);
	}
	else
	{
		OLED_ShowChar(x, 46, ' ', 16);
	}
	x += 8;

	OLED_ShowChar(x, 46, (u8)(distance_cm % 10U + '0'), 16);
	OLED_ShowChar((u8)(x + 8U), 46, '.', 16);
	OLED_ShowChar((u8)(x + 16U), 46,
	              (u8)(distance_mm % 10U + '0'), 16);
	OLED_ShowString((u8)(x + 24U), 46, (u8 *)" cm", 16);
	OLED_Refresh();
}

static void OLED_ShowError(void)
{
	OLED_Clear();
	OLED_ShowString(36, 0, (u8 *)"HC-SR04", 12);
	OLED_ShowString(10, 20, (u8 *)"No echo / timeout", 12);
	OLED_ShowString(13, 40, (u8 *)"Check PB4 / PB5", 12);
	OLED_Refresh();
}

HC_SR04.c

#include "HC_SR04.h"
#include "delay.h"
#include "stm32f10x_tim.h"

#define HC_SR04_TRIG_PIN              GPIO_Pin_4
#define HC_SR04_ECHO_PIN              GPIO_Pin_5

#define HC_SR04_TIMER_FREQUENCY_HZ    1000000UL
#define HC_SR04_TIMEOUT_US            30000U
#define HC_SR04_MAX_ECHO_US           24000U

/*
 * 等待 ECHO 引脚变为指定电平。
 * 参数 level：需要等待的目标电平。
 * 参数 timeout_us：最长等待时间，单位为微秒。
 * 返回值：1 表示检测到目标电平；0 表示等待超时。
 *
 * 每次等待前将 TIM2 计数器清零。这样既可以判断超时，也能防止
 * 传感器未连接或无回波时程序永久阻塞在循环中。
 */
static u8 HC_SR04_WaitEchoLevel(BitAction level, u16 timeout_us)
{
	TIM_SetCounter(TIM2, 0);
	while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, HC_SR04_ECHO_PIN) != level)
	{
		if(TIM_GetCounter(TIM2) >= timeout_us)
		{
			return 0;
		}
	}
	return 1;
}

void HC_SR04_Init(void)
{
	GPIO_InitTypeDef gpio;
	TIM_TimeBaseInitTypeDef timer;
	RCC_ClocksTypeDef clocks;
	u32 timer_clock;

	/*
	 * STM32F103 上电复位后，PB4 默认是 JTAG 的 NJTRST 引脚。
	 * 这里关闭 JTAG 功能以释放 PB4，同时保留 PA13、PA14 上的 SWD，
	 * 因此仍然可以使用 ST-Link 下载程序和在线调试。
	 */
	RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_AFIO |
	                       RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE);
	GPIO_PinRemapConfig(GPIO_Remap_SWJ_JTAGDisable, ENABLE);

	/* 将 PB4 配置为推挽输出，用于产生 TRIG 触发脉冲。 */
	gpio.GPIO_Pin = HC_SR04_TRIG_PIN;
	gpio.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
	gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
	GPIO_Init(GPIOB, &gpio);
	GPIO_ResetBits(GPIOB, HC_SR04_TRIG_PIN);

	/* 将 PB5 配置为下拉输入，用于读取 ECHO 回波脉冲。 */
	gpio.GPIO_Pin = HC_SR04_ECHO_PIN;
	gpio.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IPD;
	GPIO_Init(GPIOB, &gpio);

	/*
	 * 将 TIM2 配置为 1 MHz 向上计数，因此计数器每增加 1 就表示经过
	 * 1 微秒。当 APB1 总线存在分频时，APB1 定时器的输入时钟为
	 * PCLK1 的两倍，所以需要根据当前时钟树计算 TIM2 的实际输入时钟。
	 */
	RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);
	RCC_GetClocksFreq(&clocks);
	timer_clock = clocks.PCLK1_Frequency;
	if((RCC->CFGR & RCC_CFGR_PPRE1) != RCC_CFGR_PPRE1_DIV1)
	{
		timer_clock *= 2U;
	}

	TIM_TimeBaseStructInit(&timer);
	timer.TIM_Prescaler = (u16)(timer_clock /
	                            HC_SR04_TIMER_FREQUENCY_HZ - 1U);
	timer.TIM_Period = 0xFFFFU;
	timer.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
	timer.TIM_ClockDivision = TIM_CKD_DIV1;
	TIM_TimeBaseInit(TIM2, &timer);
	TIM_SetCounter(TIM2, 0);
	TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

u8 HC_SR04_ReadDistance(u16 *distance_mm)
{
	u16 echo_time_us;
	u32 measured_mm;

	/* 防止调用者传入空指针。 */
	if(distance_mm == 0)
	{
		return 0;
	}

	/* 测量开始前确认 ECHO 为低电平，避免上一次残留脉冲影响本次测量。 */
	if(HC_SR04_WaitEchoLevel(Bit_RESET, HC_SR04_TIMEOUT_US) == 0U)
	{
		return 0;
	}

	/* TRIG 输出不少于 10 微秒的高电平，通知 HC-SR04 发射超声波。 */
	GPIO_SetBits(GPIOB, HC_SR04_TRIG_PIN);
	delay_us(15);
	GPIO_ResetBits(GPIOB, HC_SR04_TRIG_PIN);

	/* 等待 ECHO 上升沿；检测到高电平表示模块已经开始输出回波脉冲。 */
	if(HC_SR04_WaitEchoLevel(Bit_SET, HC_SR04_TIMEOUT_US) == 0U)
	{
		return 0;
	}

	/* 从 ECHO 上升沿开始计时，下降沿到来时得到高电平脉宽。 */
	TIM_SetCounter(TIM2, 0);
	while(GPIO_ReadInputDataBit(GPIOB, HC_SR04_ECHO_PIN) == Bit_SET)
	{
		if(TIM_GetCounter(TIM2) >= HC_SR04_TIMEOUT_US)
		{
			return 0;
		}
	}
	echo_time_us = TIM_GetCounter(TIM2);

	/* 脉宽为零或超过模块正常测距范围时，本次测量判定为无效。 */
	if(echo_time_us == 0U || echo_time_us > HC_SR04_MAX_ECHO_US)
	{
		return 0;
	}

	/*
	 * HC-SR04 常用换算公式：
	 *   距离（厘米）= ECHO 高电平时间（微秒）/ 58
	 *
	 * 这里直接换算为毫米，并通过加上 29 后再除以 58 实现四舍五入：
	 *   距离（毫米）= (脉宽 × 10 + 29) / 58
	 */
	measured_mm = ((u32)echo_time_us * 10U + 29U) / 58U;

	/* HC-SR04 的标称最大测量距离为 4 米。 */
	if(measured_mm > 4000U)
	{
		return 0;
	}

	*distance_mm = (u16)measured_mm;
	return 1;
}

HC_SR04.h

#ifndef __HC_SR04_H
#define __HC_SR04_H

#include "sys.h"

/*
 * 文件名称：HC_SR04.h
 * 功能说明：声明 HC-SR04 超声波测距模块的初始化与距离读取接口。
 *
 * 硬件连接：
 *   HC-SR04 TRIG 引脚 -> STM32 PB4
 *   HC-SR04 ECHO 引脚 -> STM32 PB5
 *
 * 距离读取结果以毫米为单位，主程序可直接将其转换为带一位小数的
 * 厘米数进行显示，整个计算过程不需要使用浮点运算。
 */

/* 初始化 PB4、PB5 和用于微秒计时的 TIM2。 */
void HC_SR04_Init(void);

/*
 * 启动一次超声波测距并读取距离。
 * 参数 distance_mm：用于保存测量距离，单位为毫米。
 * 返回值：1 表示测量成功；0 表示参数无效、等待回波超时或距离超量程。
 */
u8 HC_SR04_ReadDistance(u16 *distance_mm);

#endif

八、高频故障排查大全

  1. OLED 一直显示 No echo 无回波

    • HC-SR04 未接 5V 供电；
    • 模块、STM32、OLED 未共地；
    • PB4 未关闭 JTAG 复用；
    • TRIG/ECHO 接线颠倒；
    • 目标小于 2cm 或超过 4m；
    • 探头被遮挡。

  2. 近距离物体测不出数值 HC-SR04 存在 2cm 盲区，发射后电路未稳定，近距回波无法识别，测试建议 10cm~1m。

  3. 数值持续跳动不稳定

    • 被测物体过小、表面倾斜；
    • 海绵、布料等吸声材料；
    • 电源纹波大、接地不良；
    • 周边存在其他超声波模块干扰； 优化方案：多次采样取均值滤波。

  4. 测量数值和实际差距大 未做温度补偿，高低温环境声速变化带来系统误差。

九、项目拓展方向

  1. 添加 DS18B20 温度传感器，实时修正声速消除温度误差；
  2. 加入滑动平均滤波，解决数据跳变；
  3. 多 HC-SR04 分时触发，避免相互干扰；
  4. 增加蜂鸣器，距离过近报警提醒。
# stm32 # 嵌入式硬件 # 单片机
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