基于STM32的测障测角小车设计与Proteus仿真

一、系统概述与核心功能

1. 系统定位

本设计基于STM32F103C8T6核心板，结合超声波测距、SG90舵机测角与L298N直流电机驱动，构建一款具备“前方180°扇形区域障碍扫描与自动避障”功能的智能小车。通过舵机带动超声波探头左右旋转，小车能在行进中实时构建前方环境地图，计算障碍物距离与偏离角度，从而做出最优的绕行决策。结合Proteus仿真电路，可在无实物情况下验证控制逻辑与避障算法。

2. 核心功能模块

二、硬件设计方案

1. 核心硬件选型

2. 硬件电路设计要点

• 舵机与超声波挂载：将HC-SR04牢固粘贴在SG90舵机的摇臂延长杆上，确保二者重心平衡。
• 电机驱动接线：L298N的ENA和ENB引脚必须接到STM32的PWM引脚（如PA8/PA9），以实现精确的调速控制；IN1-IN4接到普通GPIO（PB0-PB3）控制方向。
• 电源去耦：在L298N的12V/5V输入端并联1000μF电解电容与0.1μF瓷片电容，防止电机启停时的瞬间大电流拉低逻辑电压。
• 共地处理：STM32逻辑地与L298N逻辑地必须可靠连接，避免电位差导致控制信号紊乱。

三、软件设计与核心算法

1. 系统架构

采用前后台系统（无操作系统），以主循环为前台逻辑调度核心，以通用定时器中断为后台精准控制源：

1. TIM2输入捕获中断：精准捕捉超声波回响脉冲宽度，换算为距离值（Distance = Pulse_Width / 58.0 cm）。
2. TIM3 PWM输出：产生50Hz周期、占空比可调的方波，控制舵机转角（Angle = (Duty - 5) / 10 * 180）。
3. 主循环逻辑：
   • 扫描阶段：控制舵机从0°扫到180°，每间隔15°停留并触发测距。
   • 决策阶段：分析扫描数据，找出最近障碍物的距离和角度。若距离小于安全阈值（如20cm），则判定左侧或右侧是否有通行空间。
   • 执行阶段：根据决策结果，控制电机驱动小车前进、左转绕行或右转绕行。

2. 核心代码实现（基于标准库）

2.1 舵机角度控制（TIM3 PWM）

#include "stm32f10x.h"
#include "timer.h"

// 舵机初始化（50Hz，即20ms周期）
void SG90_Init(void) {
   
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure;

    // 1. 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE);

    // 2. 配置PA6为复用推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_6;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. 定时器时基配置：72MHz / (7199+1) / (199+1) = 50Hz
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 199;       // ARR
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 7199;    // PSC
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 4. PWM通道配置
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1;
    TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable;
    TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 15;           // 初始占空比7.5% (1.5ms，对应90°)
    TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High;
    TIM_OC1Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure);

    TIM_OC1PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable);
    TIM_ARRPreloadConfig(TIM3, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM3, ENABLE);
}

// 设置舵机角度（0-180度）
void SG90_SetAngle(uint8_t angle) {
   
    // 0度对应0.5ms (CCR=5)，180度对应2.5ms (CCR=25)
    // 公式：CCR = 5 + (angle / 180.0) * 20
    uint16_t ccr_value = 5 + (angle * 20 / 180);
    TIM_SetCompare1(TIM3, ccr_value);
}

2.2 超声波测距（TIM2输入捕获）

#include "stm32f10x.h"
#include "ultrasonic.h"

volatile uint8_t is_rising = 0;       // 上升沿/下降沿标志
volatile uint32_t rising_time = 0;     // 上升沿捕获值
volatile uint32_t falling_time = 0;    // 下降沿捕获值
volatile uint8_t distance_cm = 0;     // 计算出的距离(cm)

// 超声波初始化
void HC_SR04_Init(void) {
   
    GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure;
    TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure;
    TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure;
    NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure;

    // 1. 开启时钟
    RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA, ENABLE);
    RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE);

    // 2. Trig引脚(PA1)配置为推挽输出
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 3. Echo引脚(PA0)配置为浮空输入
    GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0;
    GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING;
    GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure);

    // 4. 定时器配置 (1us计数一次，72MHz/72=1MHz)
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 71;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_ClockDivision = 0;
    TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up;
    TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure);

    // 5. 输入捕获配置
    TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; // 先捕获上升沿
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1;
    TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x00;
    TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure);

    // 6. NVIC配置
    NVIC_PriorityGroupConfig(NVIC_PriorityGroup_2);
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 2;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0;
    NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE;
    NVIC_Init(&NVIC_InitStructure);

    TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE);
    TIM_Cmd(TIM2, ENABLE);
}

// 发送10us以上触发脉冲
void HC_SR04_Trig(void) {
   
    GPIO_SetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
    Delay_us(15);  // 延时15us
    GPIO_ResetBits(GPIOA, GPIO_Pin_1);
}

// TIM2中断服务程序
void TIM2_IRQHandler(void) {
   
    if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) {
   
        if (is_rising == 0) {
     // 捕获到上升沿
            rising_time = TIM_GetCapture1(TIM2);
            is_rising = 1;
            // 切换为下降沿捕获
            TIM_OC1PolarityConfig(TIM2, TIM_ICPolarity_Falling);
        } else {
     // 捕获到下降沿
            falling_time = TIM_GetCapture1(TIM2);
            is_rising = 0;

            // 计算高电平持续时间（us）
            uint32_t pulse_width;
            if (falling_time >= rising_time) {
   
                pulse_width = falling_time - rising_time;
            } else {
   
                pulse_width = (0xFFFF - rising_time + 1) + falling_time;
            }

            // 转换为厘米 (公式：距离cm = 高电平时间us / 58)
            distance_cm = pulse_width / 58;

            // 切换回上升沿捕获
            TIM_OC1PolarityConfig(TIM2, TIM_ICPolarity_Rising);
        }
        TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1);
    }
}

2.3 避障决策算法（核心逻辑）

#include "avoid_obstacle.h"

// 定义扫描数据存储结构
typedef struct {
   
    uint8_t angle;     // 舵机角度 (0-180)
    uint8_t dist;      // 该角度测得的距离 (cm)
} ScanPoint_t;

ScanPoint_t scan_map[13];  // 扫描13个点 (0°, 15°, 30°... 180°)

// 前方扇形扫描函数
void Radar_Scan(void) {
   
    uint8_t idx = 0;
    for (uint8_t angle = 0; angle <= 180; angle += 15) {
   
        SG90_SetAngle(angle);
        Delay_ms(200);  // 等待舵机转动到位

        HC_SR04_Trig();
        Delay_ms(50);   // 等待超声波测量完成

        scan_map[idx].angle = angle;
        scan_map[idx].dist = distance_cm;
        idx++;
    }
}

// 避障决策函数
// 返回值：0=前进，1=左转，2=右转，3=后退
uint8_t Avoid_Obstacle_Decision(void) {
   
    uint8_t min_dist = 255;
    uint8_t min_angle = 90; // 默认指向正前方

    // 1. 寻找最近障碍物
    for (uint8_t i = 0; i < 13; i++) {
   
        if (scan_map[i].dist < min_dist) {
   
            min_dist = scan_map[i].dist;
            min_angle = scan_map[i].angle;
        }
    }

    // 2. 判断是否需要避障（安全距离20cm）
    if (min_dist > 20) {
   
        return 0;  // 安全，继续前进
    }

    // 3. 判断障碍物出现在左侧还是右侧
    if (min_angle < 90) {
     // 障碍物在左侧，向右转绕行
        return 2;
    } else {
                  // 障碍物在右侧或正前方，向左转绕行
        return 1;
    }
}

四、Proteus仿真电路设计

在没有实物的情况下，可以利用Proteus强大的仿真功能来验证上述代码。

1. 仿真环境搭建

• 主控MCU：在Proteus库中搜索 STM32F103C8（若找不到，可用 STM32F103RB 或 STM32F103C6 代替，引脚差异需微调）。
• 电机驱动：搜索 L298（注意不是L298N，Proteus里通常只画出芯片内部逻辑），将其输入输出引脚连接好。
• 直流电机：搜索 MOTOR-DC，连接在L298的输出端。
• 舵机与超声波：Proteus中没有现成的HC-SR04和SG90模型。为了仿真，我们可以：
  1. 逻辑替代：用几个滑动变阻器（Potentiometer）模拟距离输入，连接到ADC引脚。
  2. 物理替代：用 DC MOTOR 模拟舵机转动（虽然不准确，但能看到角度变化的趋势）。
  3. 手动模拟：在仿真运行时，手动点击Proteus里的按钮，模拟舵机到位和超声波回响信号。

2. 仿真调试技巧

• 联合调试：在Keil中编译生成 .hex 文件，加载到Proteus的STM32芯片属性中。
• 虚拟终端（Virtual Terminal）：在Proteus中添加虚拟串口，连接到STM32的USART1引脚（PA9/PA10），可以在电脑上看到小车实时发送的扫描数据和决策结果。
• 激励源：若想模拟超声波回响脉冲，可以使用 PULSE GENERATOR（脉冲发生器），设置一个宽度随距离变化的脉冲，连接到PA0（Echo引脚）。

参考代码 测障测角小车+仿真电路 www.youwenfan.com/contentali/124102.html

五、系统调试与扩展

1. 实物调试步骤

2. 扩展功能

• PID速度闭环：添加编码器，实现小车定速行驶，避免电池电压下降导致速度变化。
• 视觉避障：将超声波升级为OpenMV摄像头，实现颜色识别和更复杂的道路循迹。
• 手机遥控：添加HC-05蓝牙模块，通过手机APP实时查看雷达扫描图并遥控小车。

六、总结

基于STM32的测障测角小车是嵌入式系统入门与进阶的经典实战项目。通过SG90舵机与HC-SR04超声波的巧妙结合，打破了单一固定探头的视野局限，实现了前方180°的雷达式扫描。配合L298N电机驱动与精心设计的避障算法，小车能够智能应对复杂路况。利用Proteus仿真与Keil联合调试，开发者可以在硬件成型前完美验证逻辑漏洞，极大地提高了开发效率。