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简介：一套基于STM32F103ZE的舵机控制与超声波测距工程源码，面向嵌入式初学者及需要快速实现测距功能的开发者，解决舵机旋转扫描与HC-SR04实时测距联动的控制问题，测距范围可自由设置，结果通过串口输出显示。源码基于标准外设库编写，清晰展示定时器PWM驱动舵机、超声波回波捕获、串口打印等关键流程，且不局限于特定型号，其他STM32系列稍作移植即可使用。压缩包内共208个文件，除大量C源文件和头文件外，还包含编译过程生成的.o及调试配置文件，另附3份PDF文档——STM32固件库使用手册（中文版）、STM32中文参考手册_V10及HC-SR04模块用户手册V2，方便对照查阅。资源整体大小约34.37MB，已有1487人学习下载，实用性强。配套文档与源码结合，既能用于课程设计，也可作为项目原型快速验证，独立版权保障后续开发无隐患。

1. 为什么说“舵机加超声波测距”是一套完整的扫描测距起点

平时做测距，大多数项目只回答“前方有没有东西”；加上舵机之后，问题就变成“前方哪个方向有东西、距离多远”，这是避障小车、安防云台、机械臂避让这类场景的基础能力。这套源码基于 STM32F103ZE，用 HC-SR04 做超声波测距，用舵机旋转改变探测方向，并把角度和距离通过串口显示出来。源码里保留了“测距范围可设置”的处理逻辑，超过设定区间就按越界或报警处理，不是只有测距的裸 demo。工程使用标准外设库而不是 HAL，代码里直接操作寄存器和外设结构体，适合想从跑马灯进阶到“传感器加执行器联动”的开发者，也方便把逻辑移植到其它 F1 系列型号，前提是引脚和定时器做对应调整。

2. HC-SR04 时序拆解与定时器输入捕获配置

2.1 Trig 和 Echo：为什么最好用输入捕获而不是外部中断加延时

HC-SR04 的工作时序很简单：给 Trig 引脚一个至少 10us 的高电平，模块内部会发一串 40kHz 脉冲，然后 Echo 引脚拉高。Echo 高电平持续的时间，等于声波从模块到障碍物再返回的来回时间，所以把高电平时间乘上声速再除以 2，就得到单程距离。这个“高电平持续多久”是整套测距逻辑的关键测量对象。

很多入门教程会建议用外部中断测量 Echo 高电平时间，做法是：上升沿进入中断记一个ticks，然后空转等待下降沿，再取差值。这种办法在中断响应时间不稳定、编译器优化等级变化时会引入几十微秒甚至几百微秒的误差。超声波在空气中的传播速度大约是 340m/s，1us 对应的距离误差约 0.017cm，看似不大，但若误差达到 200us，就是 3.4cm 的波动，对 10cm 以内的近距离判断影响非常大。

常见做法是把 Echo 接到通用定时器的输入捕获引脚，让定时器硬件记录上升沿和下降沿时刻，中断里只做两个值的搬运，不参与计时要。这样测量精度不受 CPU 打断影响。源码包里出现了stm32f10x_tim.c，说明定时器这部分确实是工程重点。我一般把 Trig 配置为普通推挽输出，Echo 配置为输入捕获，两个信号分开处理，尽量避免用同一个定时器既输出 PWM 又输入捕获，否则会在改捕获极性时误动 PWM 输出。

下表是一份常见的引脚分配方案，实际接线以工程里的宏定义为准：

2.2 初始化定时器输入捕获，并处理上升沿和下降沿两个边沿

先初始化 GPIO 和定时器时基，再把 TIM2_CH1 配置成输入捕获。下面的代码是标准外设库风格的初始化片段，和源码包里stm32f10x_tim.c的组织方式一致：

void HC_SR04_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_ICInitTypeDef TIM_ICInitStructure; RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOA | RCC_APB2Periph_GPIOB, ENABLE); RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM2, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_Out_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_0; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_IN_FLOATING; GPIO_Init(GPIOA, &GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 0xFFFF; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM2, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_ICInitStructure.TIM_Channel = TIM_Channel_1; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPolarity = TIM_ICPolarity_Rising; TIM_ICInitStructure.TIM_ICSelection = TIM_ICSelection_DirectTI; TIM_ICInitStructure.TIM_ICPrescaler = TIM_ICPSC_DIV1; TIM_ICInitStructure.TIM_ICFilter = 0x01; TIM_ICInit(TIM2, &TIM_ICInitStructure); TIM_ITConfig(TIM2, TIM_IT_CC1, ENABLE); NVIC_InitTypeDef NVIC_InitStructure; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannel = TIM2_IRQn; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelPreemptionPriority = 1; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelSubPriority = 0; NVIC_InitStructure.NVIC_IRQChannelCmd = ENABLE; NVIC_Init(&NVIC_InitStructure); TIM_Cmd(TIM2, ENABLE); }

这里把 TIM2 预分频设为 72 减 1，意思是按定时器时钟 72MHz 计算，分频后计数频率为 1MHz，一个计数值代表 1us。TIM_Period = 0xFFFF是把计数器溢出周期设为最大值 65535us，足够覆盖 HC-SR04 的满量程 4 米范围。Echo 高电平最大时间大约 23ms，小于 65.5ms 的溢出周期，所以正常测量不会发生周期翻转混乱。TIM_ICFilter设置为 0x01，用来过滤 Echo 信号上的毛刺，但注意滤波值太大会把窄脉冲滤掉，所以不要超过 0x04。

2.3 在中断里翻转捕获极性，再按 58 这个系数换算距离

输入捕获中断里不能做复杂运算，只记录上升沿和下降沿对应的计数器值。捕获极性的切换用的是TIM_OC1PolarityConfig，虽然名字里带 OC，但它同样可以改变输入捕获的边沿选择。中断处理写成这样：

volatile uint16_t echo_start = 0; volatile uint16_t echo_end = 0; volatile uint8_t echo_ready = 0; void TIM2_IRQHandler(void) { static uint8_t cap_rising = 1; uint16_t capture_value; if (TIM_GetITStatus(TIM2, TIM_IT_CC1) != RESET) { capture_value = TIM_GetCapture1(TIM2); if (cap_rising) { echo_start = capture_value; TIM_OC1PolarityConfig(TIM2, TIM_ICPolarity_Falling); cap_rising = 0; } else { echo_end = capture_value; TIM_OC1PolarityConfig(TIM2, TIM_ICPolarity_Rising); cap_rising = 1; echo_ready = 1; } TIM_ClearITPendingBit(TIM2, TIM_IT_CC1); } }

一帧测量完成后，在主循环里判断echo_ready，然后用(echo_end - echo_start) & 0xFFFF得到高电平持续时间，单位是 us。转换成厘米时，距离等于高电平时间 / 58。这个 58 的来源是：340m/s 的声速，按 20°C 下的速度来算，1us 里声波走 0.034cm，往返 1cm 需要的时间大约是 58us，所以 58 是往返时间常数，而不是单程。

注意，源码包里同时出现了stm32f10x_tim.c和stm32f10x_adc.c等文件，这并不代表 ADC 一定被用到，标准外设库工程往往会包含整库文件。编译时只要没有符号冲突就可以正常使用，不需要因为看到多余的外设文件而怀疑工程完整性。

提示：HC-SR04 的 Echo 引脚实际输出是 5V 电平，STM32F103 的 GPIO 虽然标注 5V 耐受，但最稳妥的方式还是串一个 1k 电阻后再进 PA0，避免模块和 MCU 之间地电位差较大时损坏引脚。

3. 用 PWM 驱动舵机扫测，串起测距状态机

3.1 舵机要的是 20ms 周期脉宽，不是 50Hz 这么简单

普通 180° 舵机，比如 SG90，控制信号是一个周期 20ms 的 PWM，高电平脉宽决定转角。0.5ms 对应 0°，1.5ms 对应 90°，2.5ms 对应 180°。这里最容易被忽略的是“周期固定、只调高电平宽度”。如果把 PWM 频率直接写成 50Hz，但预分频算错，导致周期变成 10ms 或者 30ms，舵机就会出现抖动、发热甚至始终转到某个方向不动。

工程里的舵机控制建议单独使用一个通用定时器，例如 TIM3。下面是初始化 TIM3_CH2 输出 PWM 的标准外设库写法：

void Servo_Init(void) { GPIO_InitTypeDef GPIO_InitStructure; TIM_TimeBaseInitTypeDef TIM_TimeBaseStructure; TIM_OCInitTypeDef TIM_OCInitStructure; RCC_APB1PeriphClockCmd(RCC_APB1Periph_TIM3, ENABLE); RCC_APB2PeriphClockCmd(RCC_APB2Periph_GPIOB | RCC_APB2Periph_AFIO, ENABLE); GPIO_InitStructure.GPIO_Pin = GPIO_Pin_1; GPIO_InitStructure.GPIO_Mode = GPIO_Mode_AF_PP; GPIO_InitStructure.GPIO_Speed = GPIO_Speed_50MHz; GPIO_Init(GPIOB, &GPIO_InitStructure); TIM_TimeBaseStructure.TIM_Prescaler = 72 - 1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_Period = 20000 - 1; TIM_TimeBaseStructure.TIM_CounterMode = TIM_CounterMode_Up; TIM_TimeBaseInit(TIM3, &TIM_TimeBaseStructure); TIM_OCInitStructure.TIM_OCMode = TIM_OCMode_PWM1; TIM_OCInitStructure.TIM_Pulse = 1500; TIM_OCInitStructure.TIM_OutputState = TIM_OutputState_Enable; TIM_OCInitStructure.TIM_OCPolarity = TIM_OCPolarity_High; TIM_OC2Init(TIM3, &TIM_OCInitStructure); TIM_OC2PreloadConfig(TIM3, TIM_OCPreload_Enable); TIM_Cmd(TIM3, ENABLE); }

这里预分频同样是 72 减 1，计数频率 1MHz，自动重载值设为 20000 减 1，所以完整周期是 20ms。TIM_Pulse = 1500代表初始默认 1.5ms 高电平，舵机停在 90°。改变角度时，只需要修改 TIM3 的 CCR2 寄存器，范围是 500 到 2500。

3.2 扫测状态机：先做位置稳定，再触发测距

舵机不是步进电机，PWM 值改变后需要几十毫秒才能稳定到目标角度。直接改完 CCR 立刻读超声波，很可能得到的是上一帧角度下的距离，或者读到舵机转动过程中产生的抖动数据。所以扫测动作适合写成“先转角度，再等待，再触发测距”的简单状态机。

角度间隔建议从 15° 开始，每次测量等待 200ms 以上。如果需要更快，可以把间隔改成 10° 或 5°，但超声波模块本身一个完整测量周期大约需要 60ms，因此建议最短等待时间不要低于 80ms，否则 Echo 会永远接不到下降沿。

void Servo_SetAngle(uint16_t angle) { uint16_t pulse = 500 + angle * 2000 / 180; TIM_SetCompare2(TIM3, pulse); } void Scan_Range(void) { uint16_t angle; uint16_t distance_cm; for (angle = 0; angle <= 180; angle += 15) { Servo_SetAngle(angle); delay_ms(200); distance_cm = HC_SR04_GetDistance(); if (distance_cm != 0) { printf("ANGLE:%d DIST:%dcm\r\n", angle, distance_cm); } } }

500 + angle * 2000 / 180就是把 0° 到 180° 线性映射到 500 到 2500 的两个端点。这个公式要放在计算时而不是做成查表，原因是不同舵机在中位附近可能有一些偏差，保留公式方便现场改成别的极限脉宽。超声波的返回值distance_cm如果为 0，说明本次没有捕获到有效 Echo，可能是目标太近或者线缆接触不良，此时不要进入报警判断，直接跳过本帧。

这块源码里提到的“实时测距”，本质是舵机每停到一个方向就刷新一次距离，并把结果通过串口发出去。对于秒级巡检足够，但不要指望用一个普通舵机能做到雷达那样连续扫描。

注意：舵机一定要从外部电源取电，不要直接挂在 STM32 开发板的 3.3V LDO 输出上。舵机转动瞬间电流可能超过 500mA，电压跌落会导致 MCU 复位，这是这类项目最常见的现场翻车点。

4. 串口显示与测距范围设置，把源码改成可用产品逻辑

4.1 USART1 串口初始化，配合重定向输出调试信息

串口输出的价值不只是看距离值，还能在系统跑飞时定位卡在哪个循环。工程里已经有stm32f10x_usart.c，这正好对应标准外设库的 USART 驱动。初始化代码不复杂：使能 GPIOA 和 USART1 时钟，把 PA9 配置为复用推挽输出，PA10 配置为浮空输入，波特率一般选 115200。

为了在源码里直接用printf打印，需要重定向标准库的fputc：

int fputc(int ch, FILE *f) { USART_SendData(USART1, (uint8_t)ch); while (USART_GetFlagStatus(USART1, USART_FLAG_TXE) == RESET); return ch; }

在 Keil 工程中，还要勾选 MicroLIB，重定向才会生效，否则会链接出大量文件系统代码。每次发送一个字节后死等 TXE 标志，意味着阻塞式打印。如果测距循环要求严格定时，建议把打印改成 DMA 发送，或者把字符串拼到缓冲区，用USART_DMACmd触发发送。这个项目里串口主要做监视，阻塞打印问题不大。

4.2 可设置测距范围，需要设计一个失效保护的阈值检查

很多测距 demo 只用if (distance < 20)来报警，这种硬编码阈值在改现场距离时特别痛苦。这个源码包里强调“测距范围可设置”，我按工程习惯会拆成两个部分：一是默认范围常量，二是串口指令实时修改。

默认范围用结构体保存：

typedef struct { uint16_t min_cm; uint16_t max_cm; } RangeConfig; RangeConfig range = {20, 80};

报警判断在扫描状态机里，测到距离后先和上下限比较：

uint8_t CheckDistanceRange(uint16_t distance_cm) { if (distance_cm == 0) { return 0; } if (distance_cm < range.min_cm || distance_cm > range.max_cm) { printf("[WARN]ANGLE:%d DIST:%dcm\r\n", current_angle, distance_cm); return 1; } return 0; }

判断顺序有一点细节：必须先判断distance_cm == 0，否则 0 会触发distance_cm < range.min_cm的误报警。HC-SR04 在障碍物贴近模块小于 2cm 时，经常返回不可靠数据，所以最小值不要设成 0，建议range.min_cm最低设到 2。

串口实时修改范围，最直接的做法是用sscanf解析：

void ParseSerialCommand(char *cmd) { int min_cm, max_cm; if (sscanf(cmd, "RANGE %d %d", &min_cm, &max_cm) == 2) { if (min_cm >= 2 && max_cm <= 400 && min_cm < max_cm) { range.min_cm = (uint16_t)min_cm; range.max_cm = (uint16_t)max_cm; printf("RANGE OK:%d-%d\r\n", range.min_cm, range.max_cm); } else { printf("RANGE ERR\r\n"); } } }

sscanf会带来一定的代码体积膨胀，但在这个资源里不值得关系性能，毕竟命令只会在配置阶段出现。对参数做边界判断是为了防止把最大距离设成 500cm，超过 HC-SR04 实际能力导致虚假报警。我见过有人把阈值设成最大值 400cm，结果在走廊尽头测到 380cm 就直接报警，实际上是模块量程导致的波动，不是真实阻挡。

串口调试数据的格式最好保持机器可读，方便在 PC 端解析：

如果要做更正式的产品逻辑，还可以把范围设置保存到片内 Flash，利用源码包里已有的stm32f10x_flash.c，掉电后不丢失。保存时建议连同一个校验字段一起写入，比如把 min、max 和固定魔数拼成一个结构体，再按半字写入 Flash。读取时先校验魔数，校验失败就恢复默认范围，防止 Flash 全 FF 状态导致阈值变成 65535。

5. Keil5 编译烧写与实物验证：先看这几个调试点

拿到源码后第一件事不是打开工程看代码，而是把硬件和电源准备好。这个项目用到 5V 超声波模块和 5V 舵机，建议用一个 5V 2A 左右的电源给传感器和舵机供电，开发板用独立的 USB 3.3V 供电，两组电源共地即可。不要在调试中让舵机和超声波共用一根杜邦线从板上取电。

在 Keil5 里打开工程后，先检查 Target 选项卡里的时钟频率是不是 72MHz。源码里出现了system_stm32f10x.c，正常情况下SystemCoreClock = 72000000。如果开发板用了 8MHz 晶振，这个值没有问题；如果换成 25M 晶振或其它频率，需要先修改system_stm32f10x.c里的 PLL 配置，否则定时器预分频按 72MHz 算出来的 PWM 周期会偏掉。最容易观察的现象是舵机角度不准，但串口测距数值可能是正常的，因为 HC-SR04 的 58us/cm 换算只依赖同一路捕获分频。

下载算法也要确认。项目文件名里带着Demo.axf，这是一个旧的编译输出文件，不一定是当前工程最新产物。建议用 ST-Link 或 J-Link 重新编译并配置 Flash Download，使用默认的 STM32F10x Med-density 或 High-density 算法，取决于具体芯片型号。F103ZE 是 512KB Flash，属 High-density，选错算法会导致下载地址越界。

实物验证时我会按下面这张表和现象对照排查：

还有一个很容易忽略的点：源码包里同时存在stm32f10x_tim.c、stm32f10x_can.c、stm32f10x_i2c.c等文件，这通常是标准外设库整库加入工程后的结果。编译时如果出现某个不相关内容的外部符号重复定义，不要急着删文件，先查看是不是在stm32f10x_conf.h里把没有被用到的外设头文件也#include了。用到的只是定时器、GPIO、USART 和延时，多余外设不会参与执行，但会占用一点 Flash 空间。

最后验证测距范围设置时，可以在串口调试助手里发送RANGE 20 80，正常会返回RANGE OK:20-80，然后把一个障碍物放到 10cm 位置，观察是否输出 WARN。如果没反应，检查串口命令结尾是否带了回车间，程序解析时需要把\r\n过滤掉，避免sscanf匹配不到指令。这套源码的边界能力其实很清楚：普通舵机加 HC-SR04，适合做慢速机械扫描测距，但如果换成总线舵机机械臂联动场景，PWM 驱动部分需要换掉，串口测距和范围判断逻辑仍然可以继续复用。

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