采用STM32设计超声波倒车辅助系统毕业设计论文.doc

南 阳 理 工 学 院 本科生毕业设计（论文） 学 院：电子与电气工程学院 专 业： 电子信息工程 学 生： 指导教师： 完成日期 2014 年 5 月 南阳理工学院本科生毕业设计（论文） 采用 STM32 处理器设计超声波倒车 辅助系统 Ultrasonic Parking Assist System with STM32 Processor 总 计： 32 页 表 格： 2 个 插 图 ： 24 幅 南南 阳阳 理理 工工 学学 院院 本本 科科 毕毕 业业 设设 计（论文）计（论文） 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 Ultrasonic Parking Assist System with STM32 Processor 学 院： 电子与电气工程学院 专 业： 电子信息工程 学 生 姓 名： 学 号： 指 导 教 师（职称）： 评 阅 教 师： 完 成 日 期： 南阳理工学院 Nanyang Institute of Technology 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 电子信息工程专业 摘摘 要要 本系统采用 STM32F103ZET6 处理器作为控制核心，利用超声波测距原 理设计了一种倒车辅助系统。系统以空气中超声波的传播速度为已知条件，利用超声 波传感器发射超声波并接收回波的方式计算超声波传输的时间，进而求出发射点与障 碍物之间的距离并显示出来，并在汽车与障碍物发出碰撞前适当距离，发出声音报警， 提醒驾驶者注意。本文主要阐述了超声波倒车辅助系统的功能，介绍了系统总体设计 的方案，分析采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统各部分的硬件及软件实现， 并完成系统各部分硬件的设计和软件的设计。整个系统设计经调试达到预期效果。 关键词关键词 倒车辅助系统；超声波测距；STM32 处理器；声音报警 Ultrasonic Parking Assist System with STM32 Processor Electronic Information Engineering Specialty X Abstract: The system adopts STM32F103ZET6 processor as the core of control, using ultrasonic ranging principle to design a vehicle reversing assist system. The System utilizes the ultrasonic velocity of air as the known condition,using ultrasonic sensors transmitting ultrasonic and receiving the echo to calculate the time transmitted, and then makes the distance between starting shot point and the obstacle displayed, and before the collision distance of the car and the obstacle , sending out sound to alarm the driver to be careful. This article mainly expounded the function of the ultrasonic vehicle reversing assist system, and introduced the overall scheme of the system designed ,and analyzed that the STM32 processor is used to design hardware of each part and software of the Ultrasonic Vehicle Reversing Assist System, and completed all parts of hardware design and software design of the system. The whole system achieved the desired effect by debugging. Key words: Parking assist system;ultrasonic distance measurement;STM32 processor; audible alarm 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 目 录 1 引言.1 1.1 设计背景和意义.1 1.2 国内外研究现状.1 1.3 论文结构安排.3 2 系统总体设计和理论知识综述.3 2.1 超声波测距的理论基础.3 2.1.1 超声波简介.4 2.1.2 超声波测距的原理.4 2.2 系统总体设计.6 2.2.1 系统要求.6 2.2.2 系统模块和功能设计.6 2.2.3 总体设计结构.7 3 超声波测距系统硬件设计.8 3.1 超声波传感器电路模块.8 3.2 报警电路设计.11 3.3 单片机最小系统设计.12 3.3.1 STM32 单片机简介 .12 3.3.2 STM32 最小系统设计 .15 3.4 电源转换电路设计.16 3.5 显示部分设计.17 4 系统软件的设计.18 4.1 软件开发环境.18 4.2 超声波传感器操作说明.20 4.3 系统软件的设计.21 4.3.1 系统主程序的设计.21 4.3.2 超声波子程序的设计.21 4.3.3 中断处理子程序设计.22 5 系统调试及结果分析.24 5.1 系统硬件设计所需的资源.24 5.2 调试和下载工具.25 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 5.3 调试结果分析.26 结束语.28 参考文献.29 附录.30 致谢.32 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 1 引言 1.1 设计背景和意义 随着科技的进步，经济的发展，人们生活水平的不断提高，汽车产业在近年来得 到了高速发展，汽车也开始进入越来越多的普通家庭，成为人们出行必不可少的交通 工具。据来自汽车工业协会和公安部的数据显示，截至 2013 年底，我国汽车保有量 1.37 亿辆（不包括机动车辆） ，汽车驾驶员 2.19 亿人，超过日本的汽车总量，正在赶超 美国1。 汽车的普及，带给了我们出行的方便，提高了我们的生活质量。但是我们在享受 汽车带给我们便利的同时，汽车存在的安全隐患也在逐建增加，交通事故也在逐年增 加，交通安全问题变得也日益严重。据有关部门统计我国交通事故死伤人数已连续十 年高居世界第一，其中由于倒车引起的安全问题尤其突出2。在普通汽车驾驶过程中， 驾驶员主要是靠后视镜来判断车与障碍物之间距离。这种靠后视镜和自身经验来判断 后方障碍物的方法，不仅视野范围是很有限的，而且容易出现视野盲区或视野模糊区， 更无法精确判断后方障碍物距离。这种情况下，驾驶员在倒车过程中，就会很容易出 现由于后视不良造成的技术问题而引起的交通事故。据交通部门不完全统计，有 15% 的交通事故是由汽车倒车“后视”不良造成的3。 面对我国交通现状，人们对于出行安全问题也越来越重视，对人们在倒车驾驶过 程中的安全问题，也提出了更高的要求，如何利用最新的科学技术有效减少汽车安全 隐患，已经成为一个新的重大的课题。而要解决这一课题，需要设计出一种辅助驾驶 员倒车辅助的系统，来帮助驾驶员有效判断出后方障碍物和后方障碍物距离，并在适 当距离给以驾驶员提醒，将会有效提高倒车过程中的安全性，减少驾驶员在倒车过程 中由于后视不良引起的安全事故。 1.2 国内外研究现状 倒车辅助系统(Parking Assist System)是指汽车泊车或者倒车过程中的安全辅助系统， 它以声音或者更为直观的显示告知驾驶员车与后方障碍物的相对位置，解除因后视镜 存在盲区带来的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，从而为驾驶 者倒车泊车提供方便，消除安全隐患，提高驾驶的安全性4。 从国内外来看，自从汽车的发明以来，倒车辅助系统也在不断发展。国外在这方 面的发展起步比较早，发展相对来说比较成熟，而由于我国的汽车行业发展起步比较 晚，发展比较缓慢。但随着我国科技的发展，汽车行业的日益昌盛，我国的倒车辅助 系统的发展也取得了很大的进步。 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 从目前国内外的倒车辅助系统的发展现状来说，依据倒车辅助系统按所使用的传 感器不同，常用的类型有红外线式、超声波式、电磁感应式、激光式和超声波与机器 视觉配合式等，其开发平台也主要集中在 STC89C51 单片机、AVR 单片机、PLC 单片 机等上。这几种类型，按其传感器的类型和自身特点，其中： (1) 红外线式：主要出现在早期，它是以红外线的发送接收原理制成的倒车辅助系 统，其优点是系统成本较低。其最大的缺点是非常容易受外界干扰，并且对深黑色粗 糙表面物体的反应不灵敏。更糟糕的是，只要红外线发射器或接收器表面被一层薄薄 粉尘或其它物体覆盖，系统就无法正常工作。这些问题，使其在倒车辅助系统的的发 展，受到了限制。 (2) 电磁感应式：它是以电磁感应原理制成的倒车辅助系统，其检测灵敏度和稳定 性都比红外线提高很多，而且这种装置隐秘性好，价格适中，但其存在致命性缺点， 它只能检测动态障碍物，而且安装比较困难。也就是说，在汽车倒车的过程中，可以 探测到汽车后面的障碍物，一旦汽车停止时，就不能检测到任何东西，这种特点使其 在倒车过程中的实用性方面受到人们的广泛质疑。电磁感应式，自身严重的缺陷，导 致其在倒车辅助系统的发展受到了限制。 (3) 激光式：它是使用激光技术制成的传感器，来进行测量的倒车辅助系统。其优 点是激光束能量集中，方向性好，传输距离较远，速度快，精度高。但由于激光传播 速度较快，不适合短距离测量，而且激光对于气候的适应能力有限，受恶劣天气、污 染、汽车激烈颠簸等不良因素的影响时，探测距离和精度明显降低，所以限制了其在 倒车辅助系统领域的发展。 (4) 超声波与机器视觉配合式：最新的倒车辅助系统以超声波和机器视觉作为检测 手段，全智能泊车，例如：雷克萨斯 LS460L 是首款进入国内拥有智能泊车辅助系统的 车型，它使用超声波传感器检测障碍物，并能结合摄像头自动识别停车线，当汽车自 动检测好停车位置和距离时，只要驾驶者按下确认键，该系统就会自动泊车5。但这一 技术当前对国内引进车型还不能国产化，需要时还要引进外国原厂的成品安装，而且 其成本太高的特性，导致其不能被普通消费者所接受，而且由于国内发展还不太成熟， 不利于大范围普及。 (5) 超声波式：超声波是指频率高于 20kHz 的声波，它是一种只有海豚等少数生 物才能感觉到的机械波；超声波传感器的工作原理主要是，当控制超声波模块的微处 理器发出命令后，瓷片起振，与铝合金外壳产生共振形成超声波，并向周围发射。超 声波发射出去后，碰到障碍物，会形成回波，此回波又恰好由相同的铝合金外壳与瓷 片以振动形式来接收。 由于超声波属于机械波的范畴，可用于非接触测量，其波长短、绕射小、能定向 传播；且超声波为直线传播方式，频率越高，其绕射能力越强；具有不受光、电磁波 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 以及粉尘等外界因素的干扰的优点。利用计算超声波在发送端和接收端之间的传输时 间和声速来测量与障碍物之间距离，对被测目标无伤害。而且超声波传播速度在很大 范围内与频率无关。超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。超声波倒车辅助 系统技术成熟，稳定性、灵敏度、经济性都比以往的倒车辅助系统好，其价格低廉的 特性，也成为其在倒车辅助系统广为应用的重要条件。 超声波倒车辅助系统在处理器的选择方面，纵观近些年国内的发展，其开发平台 主要集中在 89C51 单片机、AVR 单片机、PLC 单片机等性能一般的单片机上，这类单 片机虽说价格低廉、操作简单，但其性能、处理数据速度、稳定性以及测量时的精确 性一般，且其单片机 Flash 一般都较小。如果找到一款高性能、低成本、低功耗的单片 机作为处理器，将有效提高超声波测距时的精确性和高效性，而由意法半导体公司推 出的 STM32 系列单片机正好具备这些优点。采用 STM32 处理器设计的超声波倒车辅 助系统，不仅集中了以往使用的单片机所具有的优点，而且消除了其所具有的不良缺 点，大大提高了倒车过程中的安全性。 1.3 论文结构安排 本论文主要围绕采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统展开论证，全文共分 5 部分。第 1 部分已经从超声波倒车辅助系统的设计背景和意义，并对各类倒车辅助系 统特点进行了介绍，国内外研究现状进行了分类阐述。第 2 部分主要从本系统的整体 设计，超声波测距的理论基础和超声波测距的原理进行相关介绍。第 3 部分主要从系 统硬件设计方面进行相关介绍，主要包括超声波测距电路的设计、报警电路的设计、 显示电路的设计以及车载端电源转换电路设计。第 4 部分从系统软件开发环境和系统 软件正题设计进行相关说明。第 5 部分从各个模块调试情况和整个系统调试情况进行 总结和分析。整个组织结构图如图 1 所示。 图 1 论文结构图 2 系统总体设计和理论知识综述 2.1 超声波测距的理论基础 在进行课题的研究设计时，要想设计出相对完美的电子系统，首先需要了解掌握 该系统所用到的相关理论知识。只有对理论知识的深入了解，才能了解到利用超声波 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 测距的优点。为了帮助大家更好的理解超声波自身的特点和本系统采用超声波测距的 优点，下面我们对超声波的一些理论知识进行相关的补充说明。 2.1.1 超声波简介 超声波，顾名思义即频率高于 20kHZ 的声波，其频率范围高于人所听到的 20KHZ 的频率上限，即当每秒震动次数超过 20k 赫兹，人们将听不到这种声波，于是我们就 把这种超出人类听觉上限的声波叫做超声波。人类首次产生超声波信号，是在 19 世纪 末到 20 世纪初，物理学上发现了压电效应与反压电效应之后，人们解决了利用电子学 技术产生超声波的办法，从此迅速揭开了超声波技术发展与推广的历史篇章6。 超声波是一种机械波，能够在气体、液体、固体中传播。其主要特点是频率较高、 波长较短，方向性好，在一定距离里沿直线传播，穿透能力强，反射能力好，而且非 常容易于获得相对集中的声能。超声波的这些特点，让其具有很多一般声波所没有的 特性： （1）穿透能力强：超声波的穿透能力特别强，由于它是机械震动形成的一种声波， 不仅能够在空气中传播，而且在固体和液体中传播时，其衰减非常小，能穿透几十米 不透明的物体。超声波的这一特性，使超声波在受到粉尘、污染物等固体干扰时，还 能继续传播，超声波的这一特性，非常适合其在倒车辅助系统中的应用。 （2）方向性好：超声波的频率较高，其波长较短，当被一个大小接近于或小于波 长的物体阻挡时，衍射现象不是太明显，所以一般情况下，可以认为超声波的传播方 式为直线传播。超声波的这种特性，使得其极容易获得能量集中和方向一定的超声波 束。这一点，非常适合检测汽车后方的障碍物。 （3）反射能力强：超声波具有较强的反射能力，当遇到障碍物时，在两种介质分 界面上能改变传播方向又返回原来的介质继续传播。这一点比较适合计算超声波遇到 障碍物返回的时间。 除此之外，当然超声波还具有很多其它特点和效应，比如机械效应、温热效应、 理化效应等。超声波的这些特性，使其在在医学、军事、工业、农业很多领域上有很 多的应用。其中在医疗行业，利用其原理制成彩超了等医疗器械；进行理疗、致癌等 治疗；对医疗器械清洗、灭菌等。光学行业和石油化工行业可用于除油、清洗等。电 子行业：制造电子器件等。此外，还可用于可进行超声焊接、钻孔、固体的粉碎、乳 化 、促进化学反应和进行生物学研究等，其中常被人们用来功能测距、测速、清洗、 焊接、杀菌消毒等。这这些应用当中，中短程测距方面的应用尤为广泛。 2.1.2 超声波测距的原理 超声波测距的原理是利用超声波的自身特性制造一种超声波发射装置和接收装置， 这种装置工作时发射装置不断发射超声波信号，接收装置不断检测超声波信号遇到障 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 碍物反射回来的回波，通过检测到的发射、接收到的回波所用的时间差，来计算超声 波与障碍物之间的距离。 超声波测距系统其原理框图如图 2 所示。从图中可以看出，超声波测距原理与雷 达测距的原理有点相似，这种方法通常做法是，当测距开始时,超声波模块开始工作， 由超声波发射装置向某一方向发出超声波测距信号，在发射时刻的同时微处理器的定 时器开始计时，记下计时时刻 T1；在超声波发射装置发出超声波信号的那一刻，超声 波接收装置同时开始不断检测反射回来的回波信号；发出的超声波在介质中传播，当 遇途中到障碍物时会立刻发生反射，反射回来的回波信号被超声波接收装置检测到并 接收该信号，同时微处理器关闭定时器，停止计时，记录下停止计时时刻 T2。此时， 设超声波在介质中传播速度为 V,发射点和障碍物之间的距离 S,那么它们二者之间的距 离就是： S=V*(T2-T1)/2 （1） 图 2 超声波测距系统原理框图 目前，人们为了研究和利电气用超声波，已经设计并制成了许多超声波发生器， 其产生超声波的主要方式有机械方式和电气方式两种。电气方式包括压电型、磁致伸 缩型和电动型等；机械方式有加尔统笛、液哨和气流旋笛等，它们所产生的超声波的 频率、功率和声波特性各不相同，因而用途也各不相同。目前较为常用的是压电式超 声波发生器。压电式超声波发生器主要原理是：利用压电晶体的谐振来工作，其内部 有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加等于压电晶片固有频率的脉冲信号时， 便会带动共振板共振，超声波便产生了；相反，若两电极间未外加电压，当共振板接 收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声 波接收器了7。在一般制作时，为了使用方便，常把超声波发射部分和超声波接收部分 整合到一个模块上称作超声波传感器。 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 2.2 系统总体设计 2.2.1 系统要求 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统，要求本次设计要使用 STM32 处理 器作为核心控制器，设计中应包含超声波测距部分，报警提示部分和距离显示部分。 具体技术要求和性能指标如下：利用超声波测距的基本原理，测量车后最大的有效测 量距离为 140cm，最小距离为 40cm，范围内的障碍物，通过显示器显示距离测量值， 并设定报警距离阈值，一旦进入报警范围，则自动打开报警的功能，报警类别可以根 据距离远近采用分级别进行提醒。在本次设计中，设计者需要自学 STM32 单片机处理 器完成本次设计。 通过查找相关资料，并结合对课题要求的分析，在本次设计中需要完成的主要任 务是，找到一种性能适当的超声波模块，完成超声波信号的发射和接收，来完成车尾 和障碍物之间距离的采集；利用 STM32 的开发平台，完成距离信号的测量和分析；显 示出所测得的距离大小；根据距离大小，完成报警电路，并根据距离的大小采用几个 级别进行相应提示。 2.2.2 系统模块和功能设计 本系统按照课题设计要求，可以分为五个部分，它们主要是：STM32 单片机处理 器部分、超声波模块部分、报警电路部分、距离显示部分和车载端电源转换电路（附 加设计） 。其中各部分作用和功能是： （1）超声波模块：包含超声波发射部分和超声波接收部分。超声波发射部分，主 要负责向外发射超声波信号，接收部分主要负责超声波信号的接收。当超声波模块收 到 STM32 处理器发出的开始命令时，超声波发射部分开始向外发射超声波信号；同时， 超声波接收部分开始不间断检测回波信号，当超声波接收部分，检测到发射出去的超 声波遇到障碍物反射回来的回波信号，立即通知单片机停止计时。此时，超声波模块 完成一次测量工作。这一部分，在整个系统设计中所处的位置是，是整个超声波倒车 辅助系统中的最核心部分。 （2）STM32 处理器：它主要是向超声波模块发出指令，使超声波模块发射部分 开始工作并发射超声波信号；同时单片机启开始动定时器计时；并且单片机不断检测 有超声波模块接收信号后，反馈回来的信号，一旦接收到回波信号，则开始停止计时。 同时 STM32 单片机处理器，还需要完成报警电路和显示部分的控制。总的来说， STM32 单片机主要是完成整个系统电路的控制命令发送、数据接收、分析和处理，是 整个系统设计的中枢神经系统。 （3）显示部分：主要是对测得的距离进行显示。这一部分，是连接 STM32 单片 机和超声波部分的枢纽，通过对所测的距离进行显示，可以直观的将车与障碍物之间 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 的位置信息反馈给用户，帮助驾驶者在倒车的过程中准确定位，正确把控整个倒车的 过程。这一部分在整个系统中也比较重要。 （4）报警电路：主要是对超声波模块测得的距离，单片机处理过后的数据，根据 需求合理设定距离阈值，采用不同的级别，对驾驶者或使用者进行声音提醒。这一部 分主要是，提醒驾驶者在倒车的过程中，注意车与障碍物之间的距离，在距离非常近 时，小心驾驶以免出现事故。本部分在整个系统中也起着非常重要的作用。 （5）电源转换电路：一般汽车上电瓶电压是 12V，而 STM32 微处理器工作电压 是 2.03.6V，并且超声波模块的最佳工作电压是 5V。要实现超声波倒车辅助系统在 汽车上的安装使用，需要解决电平兼容的问题。为了解决这个问题，本系统特意设计 了适合本系统的电源转化电路。此模块主要是将汽车上的 12V 的电压转换成 5V 和 3.3V 的电压，以适合本系统的应用。 2.2.3 总体设计结构 为了让人更好的理解本系统设计的功能特点，根据系统的设计要求，并查找分析 相关资料和文献，为本系统设计了总体设计结构图，所设计的总体设计结构框如图 3 所示。 图 3 系统总体设计结构 系统总体设计主要从从采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统进行说明，阐 述了超声波测距的理论基础、系统总体的设计和系统总体设计图。在超声波理论知识 简介这一小部分，主要介绍了超声波的性能特点，在医学、军事、工业、农业广泛用 途，解释了其为何适合用来测距；阐述了超声波测距的原理，超声波测距系统的系统 框图，常用超声波模块的分类和原理。在系统总体设计这一小节，主要介绍了系统设 计的要求，本系统所包含的模块和功能说明以及系统整体设计结构。 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 3 超声波测距系统硬件设计 本系统是采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统，前面已经从系统设计背景 和倒车辅助系统的发展现状，超声波测距理论知识和系统总体设计进行了相关阐述和 说明。接下来重点从系统硬件电路设计，进行相关说明，本部分包含的主要内容有： 超声波传感器电路模块，报警电路设计模块，STM32 单片机最小系统的设计，测距显 示电路以及车载电源转换电路等方面进行相关设计和说明。 3.1 超声波传感器电路模块 本系统设计的是采用 STM32 处理器的超声波倒车辅助系统，超声波传感器是超声 波测距电路的核心部件和整个系统的重要部分，在超声波传感器选择方面，其性能优 劣将会影响到整个系统的准确性和可靠性。超声波传感器是利用超声波的特性制成的 传感器，它通常包含超声波发射部分和超声波接收部分。经过查找相关资料和综合考 虑，本系统主要选择 HC-SR04 超声波传感器。 3.1.1 HC-SR04 主要性能参数及产品特点： 超声波测距模块 HC-SR04 实物如图 4 所示。从图中可以看出 HC-SR04 超声波模 块包含四个引脚：VCC 端、Trig 端、Echo 端、Gnd 端。VCC 引脚接+5V 供电电压， Gnd 引脚接地，Trig 引脚接触发信号输入端，Echo 引脚接回波信号输出端。 实物规格如图 5 所示，电气参数如表 1 所示，超声波模块原理如图 6 所示。 图 4 HC-SR04 实物图 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 图 5 HC-SR04 规格图 表 1 HC-SR04 传感器电气参数 电气参数 HC-SR 超声波模块 工作电压 DC 5V 工作电流 15mA 工作频率 40HZ 最远射程 4m 最近射程 2cm 测量角度 15 度 输入触发信号 10usTTL 脉冲 输出回响信号 输出 TTL 电平信号，与射程成正比 规格尺寸 45*20*15mm 3.1.2 HC-SR04 工作原理 超声波测距模块 HC-SR04 可提供 2cm-400cm 的非接触式距离感测功能，测距精度 可达高到 3mm；模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。基本工作原理以及工作 步骤： (1) 利用 TRIG 端口触发测距，给至少 10us 的高电平信号; (2) 模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； (3) 有信号返回，通过端口 ECHO 输出一个高电平，高电平持续的时间就是超声 波从发射到返回的时间8。 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 3.1.4 HC-SR04 原理图 超声波模块资料中所附带的原理图如图 6 所示。从图中可以看出，超声波传感器 共分为超声波发射部分和超声波接收部分，发射部分主要有 MAX232、三极管等元件 组成，接收部分主要有 TL047、三极管等元件组成，发射部分和接收部分由 STC11 单 片机共同控制。 图 6 HC-SR04 原理图 3.1.5 接口电路设计 HC-SR04 超声波工作电压范围：4.5V5.5V，即是最大工作电压不超过 5.5V，典 型工作电压是 5V，最低电压不低于 4.5V。设计该接口电路的原因，从理论上讲是因为 STM32 单片机 GPIO 口输出的 TTL 高电平一般是 3.3V，而 HC-SR04 传感器模块需要 电压为 5V 左右的脉冲信号。同时，在实际用 STM32 单片机和 HC-SR04 超声波模块调 试时，发现超声波模块不能正常工作，这是因为传感器使用时存在电平匹配问题。为 了解决 HC-SR04 超声波模块电压不兼容的问题，对于触发信号输入（Trig）引脚，单 片机要用 3.3V 电平驱动该引脚必须进行 3.3V 到 5V 电平转换。通过查找相关资料并结 合实际情况，设计了 HC-SR04 超声波传感器与 STM32 单片机的接口电路，设计的电 路图如图 7 所示。 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 C1815 NPN Q2 S8550 1K R1 10KR210K R3 1K R4 2K R5 1 2 3 4 HC-SR04 1 2 3 4 MCU GNDGND 3.3V5V Trig Echo GND Echo Trig 5VTrig1 Trig1 Echo1 Echo1 PE2 PE3 HC-SR04模块与STM32单片机接口电路设计 图 7 HC-SR04 模块与 STM32 接口原理图 3.2 报警电路设计 报警电路主要用来提醒驾驶者，在倒车的过程中注意与车尾障碍物的距离，小心与 车尾障碍物发生碰撞。在本系统设计中采用的是蜂鸣器报警电路，采用这种报警器的 原因是这种报警器电路简单，操作简便，又能轻松实现声音提醒的功能，而且这种报 警器价格低廉，设计出来的电路实用性较强。 BEEP 1K R11 10K R12 Q3 S8050 3.3V GND BEEP BEEP 12 LED1 12 LED2 12 LED3 12 LED4 1K R21 1K R22 1K R23 1K R24 1 2 3 4 MCU VCC PF6 PF7 PF8 PF9 PF6 PF7 PF8 PF9 图 8 蜂鸣器报警电路 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 蜂鸣器俗称喇叭，是一种一体化结构的电子讯响器，常用于报警、提示、音乐等 场合，广泛应用于报警器、电子玩具、汽车电子设备等电子产品中作发声器件。它分 为有源和无源两种，有源蜂鸣器是指内部带震荡源，其特点是只要一通电就会发出声 音；而无源内部不带震荡源，用直流信号无法令其鸣叫，必须用 2K-5K 的方波去驱动 它。有源蜂鸣器因为里面有多个震荡电路，往往比无源的稍贵。 在本系统中使用的是有源蜂鸣器，为本系统设计的电路图如图 8。蜂鸣器与家用电 气上的喇叭在用法上也有相似之处，通常工作电流比较大，电路上的 TTL 电平一般不 能驱动蜂鸣器，需要外加一个放大电流的电路才行，即此一个管脚很难驱动蜂鸣器发 声,故增加了一个三极管来增加其通过的电流。R12 主要作用是限流，用来防止蜂鸣器 误发声。4 个 LED 灯，LED4 是蜂鸣器工作指示灯，其余三个用来模拟显示与障碍物 距离远近级别。PF9 为高电平时，蜂鸣器发声，低电平时停止发声。 3.3 单片机最小系统设计 单片机又称微控制器、单片微型计算机，是一种集成电路芯片，是采用超大规模 集成电路技术把具有数据处理能力的中央处理器 CPU、随机存储器 RAM、只读存储器 ROM、多种 I/O 口和中断系统、定时器/计数器等功能（可能还包括显示驱动电路、脉 宽调制电路、模拟多路转换器、A/D 转换器等电路）集成到一块硅片上构成的一个小 而完善的微型计算机系统，在工业控制领域广泛应用9。早期的单片机，主要是 4 位、 8 位单片机，后来发展到 16 位、32 位，通常根据不同的需要和性能要求，选用不同位 数的单片机，而 32 位单片机是目前比较流行的一款单片机，它主要应用在性能要求比 较高的一些高端场合。 在选择一款单片机时，通常应考虑该款单片机的处理速度、操作复杂度、性能稳 定度、生产成本、功耗等因素。综合考虑并结合本系统，该系统处理器采用的是 STM32 单片机，它是一款 32 位的处理器。 3.3.1 STM32 单片机简介 STM32 是意法半导体公司推出的一款微处理器，它是 ST 公司第一个基于 ARM Cortex-M3 内核的微控制器，Cortex 是 ARM 公司最新系列的处理器内核名称，其推出 目的旨在为当前对技术要求日渐广泛的市场提供一个标准的处理器架构。Cortex 系列 处理器内核作为一个完整的处理器核心，不仅向用户提供标准的处理器核心，还提供 标准的硬件系统架构，这是它和其他 ARM 处理器内核的不同之处。Cortex 系列分为三 个分支：专为高端应用场合设计的“A”（Application）分支，为使用场合而设的“R” (Real-time)分支，还有专为成本敏感的微控制器应用场合设计的“M”（Microcontroller） 分支。STM32 微处理器基于“M”分支的 Cortex-M3 内核，是专为实现系统高性能、低 成本、低功耗的嵌入式应用而专门设计的，同时它足够低廉的价格也向传统的 8 位和 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 16 位微控制器发出了有力挑战10。 图 9 STM32F103 的模块框图 本系统采用的 ST 公司最新推出的 32 位 ARM Cortex-M3 内核处理器芯片 STM32 系列中的 STM32F103ZET6，它是一款增强型的芯片。通过查找相关资料和数据手册， 其功能特点有： 内核：ARM 32 位的 Cortex-M3 CPU；最高 72 MH 工作频率，在存储器的 0 等待周 期访问时可达 1.25DMips/MHZ（Dhrystone2.1） ；单周期乘法和硬件除法。 存储器：内置高速存储器，高达 512K 字节的闪存器和 64K 字节的 SRAM,带四个 片选的静态存储器控制器。支持 CF 卡、SRAM、PSRAM、NOR 和 NAND 存储器。 采用 STM32 处理器设计超声波倒车辅助系统 时钟、复位和电源管理：2.03.6V 供电和 I/O 引脚，上电/断电复位（POR/PDR） 、 可编程电压监测器（PVD） 。 调试模式：串行调试（SWD）和 JTAG 接口。 低功耗：包含睡眠、停机、待机模式，VBAT为 RTC 和后备寄存器供电。 3 个 32 位模数转换器。1us 转换时间(多达 21 个输入通道)：转换范围：03.6V;三 倍采样和保持功能。 2 通道 12 位 D/A 转换器。 DMA：12 通道 DMA 控制器，支持定时器、ADC、DAC、SDIO、I2 C、SPIUSART 等外设。 多达 112 个快速 I/O 端口：51/80/112 个多功能双向的 I/O 口，所有 I/O 口可以映射 到 16 个外部中断；几乎所有端口均可容忍 5V 信号。 多达 11 个定时器：多达 4 个 16 为定时器，每个定时器多达 4 个用于输入捕获/输 出比较 PWM 或脉冲计数的通道和增量编码器输入；2 个 16 位死区控制和紧急刹 车，用于电机控制的 PWM 高级控制定时器；2 个看门狗定时器（独立的和窗口型 的） ；系统时间定时器：24 位自减计数器；2 个 16 位基本定时器用于驱动 DAC。 多达 13 个通信接口：多达 2 个 I2 C 接口（支持 SMBus/PMBus） ；多达 5 个 USART 接口（支持 ISO7816，LIN，IrDA 接口和调制解调控制） ；多达 3 个 SPI 接 口（18M/秒） ，2 个可复用为 I2S 接口； 一个 U