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简介：本资源是一套面向嵌入式初学者与STM32进阶学习者的完整仿真项目实践包，聚焦超声波测距与数字温度测量双功能融合开发，解决传感器驱动、多外设协同及LCD实时显示等典型嵌入式系统工程问题。资源共244个文件，涵盖65个C语言源码（.c）与55个头文件（.h），支撑STM32 HAL库底层驱动与应用逻辑；含24个编译中间文件（.o/.d）、11个调试配置（.dbgconf）及2个Proteus仿真工程（.pdsprj），完整复现从代码编写、Keil编译到Proteus联调的全流程；另附操作截图（.jpg）、原理说明（.txt）及可直接烧录的hex/axf镜像文件。压缩包大小为17.81MB，结构清晰、模块解耦，便于理解定时器测距算法、DS18B20单总线通信协议及1602 LCD字符显示控制等核心知识点。目前已有900人学习下载，配套内容覆盖全部关键函数实现与仿真验证结果，是掌握STM32传感器应用开发的高实用性入门范例。

1. 项目缘起：从零到一，构建一个看得见的测距测温系统

最近在整理一些嵌入式教学和项目验证的素材，发现很多朋友在入门STM32和传感器时，常常会遇到一个困境：硬件还没到手，或者焊接调试过程中总出幺蛾子，代码逻辑对不对心里完全没底。特别是像超声波测距、温度采集这类需要硬件实时交互的应用，纯靠脑补或者串口打印几个数字，总感觉少了点直观性。这时候，仿真工具的价值就凸显出来了。

Proteus作为一款经典的电子设计自动化软件，其电路仿真和微控制器协同仿真的能力，对于嵌入式学习者来说，是个绝佳的“沙盒”。它允许你在电脑上搭建虚拟的电路，加载编译好的单片机程序，并观察整个系统的动态运行效果，比如LED闪烁、屏幕显示、传感器数值变化等，整个过程可视化了。

所以，我决定动手做一个“基于STM32的超声波测距测温Proteus仿真”项目。核心目标很明确：在Proteus环境中，用STM32F103C8T6（蓝桥杯、正点原子最小系统板同款）作为主控，虚拟驱动HC-SR04超声波模块测量距离，同时模拟一个温度传感器（比如DS18B20或模拟PT100的电压信号）进行温度采集，并将结果实时显示在虚拟的LCD屏上。这个项目不依赖任何实体硬件，却能完整呈现从传感器原理、STM32外设驱动（定时器、GPIO、ADC）、数据处理到人机交互的全链路，非常适合用于前期方案验证、算法调试和教学演示。

通过这个仿真，你可以清晰地看到：STM32如何发出一个10us以上的高电平触发信号，HC-SR04如何回响一个与距离成正比的高电平脉冲，STM32的输入捕获如何精准测量这个脉冲宽度并换算成厘米或毫米。对于测温部分，你可以理解如何通过ADC读取模拟电压，或者按照单总线协议读取数字温度值，并进行滤波和校准。这一切，都在你的屏幕前动态上演。

2. 仿真核心：HC-SR04超声波模块的工作原理与Proteus建模

要让仿真跑起来，首先得吃透HC-SR04这个经典超声波模块在真实世界和虚拟世界中的行为。

2.1 物理世界中的HC-SR04：时序就是一切

HC-SR04模块有四个引脚：VCC、Trig（触发）、Echo（回响）、GND。其工作流程是标准化的：

1. 触发：单片机向Trig引脚发送一个至少10微秒的高电平脉冲。
2. 发射与接收：模块内部自动发出8个40kHz的超声波脉冲，并开始检测回波。
3. 回响：当模块接收到返回的回波后，会在Echo引脚输出一个高电平脉冲。
4. 计算距离：这个高电平脉冲的宽度，正比于超声波从发射到接收所经过的时间。根据声速（约340m/s，即0.034cm/μs），距离距离(cm) = (高电平时间(μs) * 0.034) / 2。除以2是因为时间是往返的。

这里的关键是时序。在STM32的程序中，我们通常用一个GPIO（如PA0）连接Trig，周期性（例如100ms）发出一个10-20us的脉冲。同时，将Echo引脚（如PA1）配置为输入模式，并启用输入捕获功能，来精确测量Echo高电平的持续时间。

2.2 Proteus世界中的HC-SR04：用虚拟器件模拟物理行为

Proteus元件库中没有现成的、行为完全仿真的HC-SR04模型。这是仿真项目第一个要解决的“坑”。我们不能直接用原理图符号，必须找到替代方案来模拟其输入输出特性。

我经过多次尝试，找到了一个稳定可靠的方案：使用一个“脉冲发生器”配合一个“电压控制脉冲宽度”器件来模拟Echo引脚的行为。

具体建模思路如下：

1. Trig输入：这很简单，就是STM32的一个普通GPIO输出引脚，连接到虚拟器件的输入脚。
2. Echo输出模拟：这是核心。我们需要一个器件，当它检测到Trig的上升沿（代表触发）后，能延迟一段时间（代表超声波飞行时间），然后产生一个高电平脉冲，且脉冲宽度与“距离”参数成正比。
   • 实现方法：在Proteus的“Generator Mode”工具中，选择一个“PULSE”脉冲发生器。但我们需要的是受控的脉冲。更优雅的方法是使用“Voltage Controlled Pulse Width”模型（在“Miscellaneous”类别里可能找到类似功能的器件），或者用更基础的“Schmitt Trigger”和“Monostable”单稳态触发器组合搭建。
   • 简化方案：对于教学和原理演示，一个取巧但非常直观的方法是使用Proteus提供的“Signal Generator”直接模拟Echo信号。你可以手动设置一个固定宽度的方波来模拟固定距离的回波，但这失去了交互性。
   • 高级方案：为了实现动态距离仿真，我采用了“模拟电压控制延迟”的思路。用一个可调电阻（POT-HG）的分压值来模拟“距离”参数。该电压输入到一个电压控制振荡器（VCO）或类似的延时电路，其输出延迟时间正比于输入电压。然后，用这个延迟去触发一个单稳态触发器，产生一个固定宽度的Echo脉冲（或者脉冲宽度也受电压控制，模拟不同距离下回波强度的变化？不，HC-SR04的Echo脉宽只与时间有关，与强度无关）。最终，这个Echo脉冲连接到STM32的输入捕获引脚。

注意：在Proteus中搭建这个模拟电路需要一些模拟电路基础。一个更简单的替代方案是，直接使用Proteus VSM SDK或脚本功能创建一个自定义模型，但这门槛较高。对于大多数学习者，我建议采用“可调电阻模拟距离，单片机程序内部根据ADC读取的电阻电压值，来虚拟计算出一个Echo高电平时间，并在代码层面模拟Echo引脚的变化”的软硬件协同仿真思路。不过，这要求修改单片机代码，失去了纯粹硬件仿真的意义。因此，我最终选择用基本逻辑器件搭建了一个行为级模型，虽然原理图稍复杂，但一次搭建，永久使用，且行为完全贴合数据手册。

最终，我的Proteus图纸中，HC-SR04部分是一个由Schmitt Trigger、Monostable Multivibrator和一些逻辑门组成的子电路，它有两个外部接口：Trig输入和Echo输出，还有一个用于调节模拟距离的滑动变阻器输入。这样，在仿真运行时，我拖动滑动变阻器，就能实时改变Echo脉冲的宽度，STM32测量到的“距离”也随之变化，非常直观。

3. 温度测量模块的仿真选型：DS18B20 vs. 模拟传感器

测温部分的选择更多样。在真实项目中，根据成本、精度、温度范围，可以选择DS18B20（单总线数字）、PT100/PT1000（模拟电阻）、热电偶（模拟电压）等。在Proteus仿真中，我们需要考虑的是模型的支持度和仿真便利性。

3.1 数字温度传感器DS18B20：协议仿真

DS18B20是Proteus官方库直接支持的元件（搜索“DS18B20”即可）。它的优点是仿真模型成熟，行为准确，直接支持单总线协议。在仿真中，你只需要将其数据脚连接到STM32的一个GPIO（需配置为开漏输出模式），并编写对应的单总线读写时序驱动程序即可。

在仿真中使用DS18B20的注意事项：

• 上拉电阻：和实物一样，必须在数据线上接一个4.7kΩ左右的上拉电阻到VCC，否则总线无法拉高。
• 电源模式：Proteus中的DS18B20模型支持寄生电源和外部电源模式。为了简单可靠，建议使用外部电源模式（VDD接3.3V或5V）。
• 时序精度：STM32的单总线驱动代码对延时非常敏感。在仿真中，由于计算机性能影响，仿真速度可能不是实时的，但Proteus会尽力保证时序逻辑的正确性。你的延时函数（delay_us()）需要相对准确。建议使用STM32的SysTick定时器或通用定时器来实现微秒级延时，而不是简单的循环计数，后者在仿真中可能不稳定。
• 模型参数：你可以双击DS18B20元件，在其属性中设置初始温度值。在仿真运行过程中，你也可以动态修改这个值，来模拟温度变化，测试你的代码响应。

使用DS18B20仿真的好处是，它完全复现了真实项目中最繁琐的部分——单总线协议调试。如果你的仿真能成功读取DS18B20的温度，那么代码移植到实物上成功率极高。

3.2 模拟温度传感器：PT100与ADC采集仿真

如果你希望练习STM32的ADC采集，那么模拟传感器是个好选择。PT100是一种铂热电阻，其电阻值随温度变化而变化（近似线性）。在Proteus中，没有现成的PT100模型，但我们可以用可变电阻（POT-HG 或 POT-LIN）来模拟。

仿真电路搭建：

1. 放置一个可变电阻（如10kΩ POT），将其一端接VCC，一端接GND，中间抽头连接到STM32的ADC输入通道（如PA0）。
2. 通过一个简单的电阻分压电路，将可变电阻的变化转化为电压变化，送入ADC。
3. 在程序中，你需要一个“电阻-温度”的换算表或公式。对于PT100，在0-100°C范围内，可以用近似线性公式R(t) = R0 * (1 + A * t)，其中R0=100Ω，A≈0.00385。你需要根据电路计算电压与电阻的关系，再推导出电压与温度的关系。

使用模拟传感器仿真的核心在于标定：在仿真中，你可以将可变电阻调整到对应特定温度（如0°C、100°C）的阻值，记录下ADC读取到的原始值（ADC_Value）。通过这两点或多点，就可以在代码中建立一个线性映射关系：Temperature = k * ADC_Value + b。这个过程本身就是传感器应用中的重要环节。

实操心得：对于教学仿真，我强烈推荐DS18B20方案。原因有三：第一，模型现成，无需搭建复杂电路；第二，单总线驱动是嵌入式面试和开发的常见考点，仿真练习价值大；第三，避免了模拟电路中的噪声、参考电压精度等次要问题，让学习者更专注于STM32编程和主逻辑。在本项目中，我选择了DS18B20作为测温模块。

4. STM32程序设计与关键代码剖析

仿真项目的硬件模型搭建好后，重头戏就是STM32的固件程序。程序需要在Keil MDK或STM32CubeIDE中编写、编译，生成.hex或.elf文件，然后加载到Proteus的STM32芯片模型中。

4.1 工程架构与外设初始化

我使用STM32CubeMX进行初始化配置，这样能快速生成正确的时钟、GPIO和中断配置，避免低级错误。

• MCU：STM32F103C8T6。
• 时钟：HSI 8MHz经PLL倍频到72MHz系统时钟。
• GPIO：
  • Trig_Pin(PA0)： 推挽输出，用于触发超声波。
  • Echo_Pin(PA1)： 浮空输入，用于捕获回响脉冲。同时，将该引脚配置为定时器（如TIM2）的输入捕获通道1。
  • DS18B20_Pin(PA2)： 推挽输出（实际驱动时需切换为开漏），用于单总线通信。
  • LCD_RS, LCD_RW, LCD_EN, LCD_D[4:7]： 根据你选择的LCD模型（如16x2字符LCD）连接对应GPIO。
• 定时器：
  • TIM2： 用于输入捕获。配置为上升沿捕获，预分频器设置为72-1，使得计数器每1微秒递增一次（72MHz / 72 = 1MHz）。这样捕获到的计数值直接就是微秒数，方便计算。
  • TIM3： 用于产生超声波触发周期（例如，每200ms触发一次）和DS18B20通信所需的微妙级延时基准。
  • SysTick： 用于毫秒级延时，供LCD驱动等使用。
• ADC（如果采用模拟测温）： 配置一个通道（如PA0），连续扫描模式，启用DMA传输会更高效。
• 中断： 使能TIM2的捕获/比较中断和更新中断，用于处理Echo信号。

4.2 HC-SR04驱动核心：输入捕获与距离计算

这是代码中最精妙的部分。我们利用TIM2的输入捕获功能来测量Echo高电平的宽度。

// 变量定义 volatile uint32_t IC_Val1 = 0, IC_Val2 = 0; volatile uint32_t Difference = 0; volatile uint8_t Is_First_Captured = 0; // 是否是第一次捕获 volatile float Distance_cm = 0; // TIM2中断处理函数 void TIM2_IRQHandler(void) { if (TIM2->SR & TIM_SR_CC1IF) { // 捕获/比较1中断 if (!Is_First_Captured) { // 第一次捕获，是上升沿 IC_Val1 = TIM2->CCR1; // 读取捕获值 Is_First_Captured = 1; // 标记已捕获上升沿 // 改变捕获极性为下降沿 TIM2->CCER &= ~TIM_CCER_CC1P; } else { // 第二次捕获，是下降沿 IC_Val2 = TIM2->CCR1; // 读取捕获值 // 计算差值，考虑计数器溢出 if (IC_Val2 > IC_Val1) { Difference = IC_Val2 - IC_Val1; } else { Difference = (0xFFFF - IC_Val1) + IC_Val2; // 假设16位计数器 } // 计算距离：时间(us) * 声速(0.034 cm/us) / 2 Distance_cm = (Difference * 0.034) / 2.0; // 重置状态，准备下一次测量 Is_First_Captured = 0; // 将捕获极性改回上升沿 TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1P; // 清除中断标志 TIM2->SR = ~TIM_SR_CC1IF; } } if (TIM2->SR & TIM_SR_UIF) { // 更新中断（计数器溢出） // 如果发生溢出，且已经捕获了上升沿但还没捕获下降沿，说明Echo脉冲太长（可能超出量程） if (Is_First_Captured) { Distance_cm = 999.9; // 设置为超量程值 Is_First_Captured = 0; TIM2->CCER |= TIM_CCER_CC1P; // 重置为上升沿捕获 } TIM2->SR = ~TIM_SR_UIF; // 清除更新中断标志 } }

关键点解析：

1. 双沿捕获：通过动态改变输入捕获通道的极性（上升沿/下降沿），用一个定时器通道就能完成脉冲宽度的测量。
2. 计数器溢出处理：TIM2是16位计数器，最大计数值65535，对应65.535ms。HC-SR04最大测量距离约4米，对应Echo脉冲最大宽度约23.5ms，小于65ms，所以一次溢出内通常能完成测量。但为了健壮性，必须处理溢出情况，否则如果物体非常近（脉冲极短）或测量出错，可能引发逻辑错误。
3. 变量类型：Distance_cm定义为volatile是因为它在中断中被修改，在主循环中被读取，防止编译器优化导致数据不一致。

4.3 DS18B20单总线驱动与温度读取

DS18B20的驱动关键在于严格按照时序图编写复位、写一位、读一位的函数。这里篇幅所限，只给出核心框架和注意事项。

// 微秒级延时函数，基于TIM3实现 void DWT_Delay_us(volatile uint32_t microseconds) { uint32_t clk_cycle_start = DWT->CYCCNT; // 72MHz时钟，1个周期约13.9ns，1us约72个周期 microseconds *= 72; while ((DWT->CYCCNT - clk_cycle_start) < microseconds); } // DS18B20复位 uint8_t DS18B20_Reset(void) { uint8_t presence = 0; Set_Pin_Output(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_Pin); HAL_GPIO_WritePin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_Pin, 0); // 拉低总线 DWT_Delay_us(480); // 保持低电平480us以上 Set_Pin_Input(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_Pin); // 释放总线，上拉电阻拉高 DWT_Delay_us(70); // 等待15-60us后，DS18B20会拉低总线60-240us if (!HAL_GPIO_ReadPin(DS18B20_GPIO_Port, DS18B20_Pin)) { presence = 1; // 检测到存在脉冲 } DWT_Delay_us(410); // 等待存在周期结束 return presence; } // 读取温度值 float DS18B20_ReadTemp(void) { uint8_t temp_l, temp_h; int16_t temp_raw; float temperature; if (DS18B20_Reset()) { DS18B20_WriteByte(0xCC); // 跳过ROM命令 DS18B20_WriteByte(0x44); // 开始温度转换 DWT_Delay_ms(750); // 等待转换完成，12位精度需750ms DS18B20_Reset(); DS18B20_WriteByte(0xCC); DS18B20_WriteByte(0xBE); // 读取暂存器 temp_l = DS18B20_ReadByte(); temp_h = DS18B20_ReadByte(); temp_raw = (temp_h << 8) | temp_l; temperature = temp_raw * 0.0625; // 12位精度，LSB为0.0625°C return temperature; } return -999; // 错误值 }

踩坑实录：在Proteus仿真中，DS18B20的时序要求似乎比实物更“苛刻”。最初我用简单的for循环做延时，仿真经常失败。后来换用定时器或DWT（Data Watchpoint Trace，Cortex-M3内核的周期计数器）实现的精确微秒延时，成功率100%。仿真环境对时序的“较真”，恰恰帮我们写出了更健壮的代码。

4.4 主循环逻辑与LCD显示

主循环的任务很清晰：周期性地触发超声波、读取温度、刷新显示。

int main(void) { // HAL初始化、外设初始化... LCD_Init(); LCD_PrintString("Dist: cm"); LCD_SetCursor(1, 0); LCD_PrintString("Temp: C"); // 启动定时器，每200ms触发一次超声波 HAL_TIM_Base_Start_IT(&htim3); // TIM3用于触发周期 while (1) { // 在TIM3的中断里触发超声波，这里主循环主要处理显示 static uint32_t last_disp_time = 0; if (HAL_GetTick() - last_disp_time > 300) { // 每300ms更新一次显示 last_disp_time = HAL_GetTick(); // 显示距离 LCD_SetCursor(0, 6); if (Distance_cm >= 400.0 || Distance_cm <= 2.0) { // HC-SR04有效范围约2cm-400cm LCD_PrintString("---"); } else { char dist_str[10]; sprintf(dist_str, "%3.1f", Distance_cm); LCD_PrintString(dist_str); } // 读取并显示温度 float temp = DS18B20_ReadTemp(); LCD_SetCursor(1, 6); if (temp < -100) { // 读取错误 LCD_PrintString("Err"); } else { char temp_str[10]; sprintf(temp_str, "%2.1f", temp); LCD_PrintString(temp_str); } } // 可以加入其他任务，如按键处理、数据上传等 } }

5. Proteus仿真搭建与联合调试全流程

硬件和软件都准备好了，最后一步就是在Proteus中把它们连接起来，并让程序跑起来。

5.1 原理图绘制要点

1. 单片机：在Proteus元件库中搜索“STM32F103C8”，选择有TQFP48封装的型号。放置后，双击元件，在“Program File”一栏选择你编译生成的.hex文件。在“Clock Frequency”中填入72MHz（与代码配置一致）。
2. 电源与地：放置“POWER”和“GROUND”符号，为所有器件提供电源。
3. HC-SR04模拟电路：按照第2.2节设计的子电路进行连接。将Trig端连接到STM32的PA0，Echo端连接到PA1。别忘了给这个模拟电路也接上电源和地。
4. DS18B20：从库中拖出，数据脚接PA2，VDD接3.3V或5V，GND接地，并在数据脚和VDD之间接一个4.7kΩ的上拉电阻。
5. LCD：搜索“LM016L”（兼容HD44780的16x2字符LCD）。按照你代码中的引脚定义，连接RS、RW、E、D4-D7到STM32的对应GPIO。通常RW接地（只写模式），VSS接地，VDD接5V，VEE（对比度调节）通过一个10kΩ电位器接电源和地。
6. 调试接口：可以放置一个“VIRTUAL TERMINAL”（虚拟终端）连接到STM32的串口引脚（如PA9-TX），用于打印调试信息，这在初期排查问题时非常有用。

5.2 仿真运行与调试技巧

点击Proteus左下角的“运行”按钮，仿真开始。你会看到STM32芯片上出现一个绿色的箭头，表示程序正在运行。

• 观察现象：LCD屏幕应该会显示“Dist: xxx cm”和“Temp: xx.x C”的初始值。拖动HC-SR04模拟电路中的滑动变阻器，LCD上的距离值应该实时变化。双击DS18B20元件，在属性框中修改“Temperature”值，LCD上的温度显示也应该随之改变（可能需要短暂延迟）。
• 逻辑分析仪：这是Proteus调试的利器。在左侧工具栏选择“Virtual Instruments” -> “Logic Analyzer”。将其通道A连接到Trig引脚（PA0），通道B连接到Echo引脚（PA1）。运行仿真，然后打开逻辑分析仪窗口，你可以清晰看到Trig的周期性脉冲和Echo的响应脉冲，并能测量脉冲宽度，与代码计算的距离相互印证。
• 示波器：同样在虚拟仪器中，可以用示波器观察DS18B20数据线上的单总线波形，检查复位脉冲、读写时序是否符合规范。
• 常见问题与排查：
  • LCD不显示：检查电源、对比度电位器调节、引脚连接是否正确，特别是E使能信号的时序在代码中是否正确。
  • 距离值不变或为0：检查Trig和Echo引脚在Proteus和代码中是否对应；检查TIM2的输入捕获配置是否正确；用逻辑分析仪看是否有Echo信号产生；检查滑动变阻器是否真的改变了模拟电路的延迟。
  • 温度读取失败或为-999：检查DS18B20数据线的上拉电阻；用示波器看复位和读写时序；检查微秒延时函数是否准确；尝试降低STM32的主频（比如先降到8MHz）进行测试，排除时序过于紧张的问题。
  • 程序运行异常：检查.hex文件路径是否正确；检查STM32的晶振配置（Proteus中STM32可以不用外接晶振，使用内部HSI即可，但需与代码一致）；检查中断优先级配置是否冲突。

这个基于仿真的项目，其最大价值不在于结果本身，而在于这个从原理理解、电路建模、代码编写到联合调试的完整闭环过程。它强迫你去思考每一个信号的来龙去脉，去验证每一行代码的实际效果。当你在屏幕上看到随着你的操作而变化的距离和温度值时，你对STM32、对传感器、对嵌入式系统的理解，就已经从书本和代码，落到了可视化的逻辑流之中。这比单纯看开发板跑例程，印象要深刻得多。

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