發布日期：2022-10-09 點擊率：548
一、原理介紹
遇到障礙物，能夠感應做出反應，超聲波可以作為一種測量手段，超聲波在固體液體氣體中傳播良好，氣體中速度約為340m/s。如果知道時間，那么就可以計算出距離。利用宏晶STC89C52計算超聲波模塊HC-SR04反饋信號高電平的時間，換算成距離顯示在數碼管上(這里用573和138組合的共陰極數碼管顯示電路)。
STC89C52是國產宏晶的一塊8位寄存器芯片，IO準雙向口，可以輸入輸出，七個中斷源，六個中斷通道，有ISP系統，支持USB串口下載，8KB系統可編程下載Flash(程序儲存空間)，512BRAM(數據儲存空間)，27個特殊功能寄存器。
HC-SR04超聲波模塊，模塊四個引腳觸發信號Trig，回聲信號Echo，供電VCC和GND，測量周期60ms以上。當給Trig一個10us以上的脈沖時，HC-SR04內部自動循環發出8個40KHz的脈沖，Echo剛收到回波時置一(超出一定范圍收到的信號不夠HC-SR04置一定時器不計數)，單片機定時器開始計數，直到Echo沒有收到信號置零，記了TH+TL次機器周期，一個機器周期需要12個振蕩周期，由此時間就可以計算出來，再用時間X速度就可以計算出距離S。
數碼管有七段的，十四段的，十六段的，這里用的八位共陰極七段數碼管。共陰極數碼管就是共地，a,b,c,d,e,f,g,h對應哪一段輸入高電平，哪一段LED亮，所以特定的組合可以顯示0~9數字，所以有共陰極段碼表，一組數組，顯示幾就對P0端口賦值對應這個數值的下標的數組元素。
HC-SR04收發信號，STC89C52計算結果，數碼管顯示，74HC573負責數碼管的段選，74LS138負責數碼管的位選。
二、仿真測試
完整的電路仿真圖如圖一所示，首先打開Protues ISIS新建一個空白文件，從庫中拾取元件，選擇IC芯片AT89C52，第一步取兩個20PF~33PF的電容一個晶振和個地信號組成晶振電路，第二步給P0口上拉一的330歐的排阻，第三步加入兩個四位共陰極(CC)七段數碼管，第四步加一個74HC573進行段選，連接數碼管的段選引腳，第五步加入一個74LS138，三位地址線控制八位位選，連接上數碼管的位選位，第六步構造一個HC-SR04超聲波傳感器模塊，并根據程序連好線，第七步加入一個信號源和一個示波器，方便模擬測試，電路連接完成。
圖一 仿真電路
激勵源連接在HC-SR04模塊的Echo腳上，進行如圖二的設置。
圖二 激勵源設置
示波器分別接上HC-SR04的Trig和Echo腳，雙擊主控芯片，打開程序生成的hex文件，點擊運行，得到如圖三的結果。
圖三 仿真結果
首先黃色線是Trig，放大看了下，如圖四。單位5us，由圖可見四格多，這個觸發信號高電平20幾us，符合資料中Trig觸發信號高電平要保持10us以上。其次水平滾輪每20代表一格即一個單位，結合圖三和圖五，兩個發射信號水平滾輪數間隔左右，800格左右，單位為1ms，即800ms，符合程序中發射間隔800ms。最后數碼管顯示34，給Echo的方波200hz，占空比40%，即高電平2ms，12M晶振的單片機一個機器周期1us，定時器需要計數2000次，所以TH+TL=2000，根據公式S=(Th+TL)X1.7/100=34cm。綜上所述，仿真程序設計沒有問題。
圖四 觸發信號保持時間
圖五 觸發信號間隔時間
三、程序設計
? ?
#include "reg51.h"
#include
//常變量定義:
code unsigned char table[]=
{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//表：共陰數碼管 0-9 -
unsigned int ?time=0;
unsigned int ?timer=0;
unsigned long S=0;
bit flag =0;
unsigned char l_disbuff[4]={ 0,0,0,0};//顯示緩沖
unsigned char l_posit=1; //位選擇
//引腳定義:
//sbit SMG_q = P2^2; //定義數碼管陽級控制腳（千位）本例程只用到三位數碼管
sbit SMG_b = P2^2; //定義數碼管陽級控制腳（百位）
sbit SMG_s = P2^3; //定義數碼管陽級控制腳（十位）
sbit SMG_g = P2^4; //定義數碼管陽級控制腳（個位）
sbit RX = P2^1; //模塊引腳
sbit TX = P2^0;
//顯示函數，參數為顯示內容
void display()
{
P0=0x00; //
switch(l_posit){
case 0: //選擇千位數碼管，關閉其它位
//SMG_q=0;
SMG_b=1;
SMG_s=1;
SMG_g=1;
P0=table[l_disbuff[0]];
break;
case 1: //選擇百位數碼管，關閉其它位
//SMG_q=1;
SMG_b=0;
SMG_s=1;
SMG_g=1;
P0=table[l_disbuff[1]];//加入小數點要與一下
break;
case 2: //選擇十位數碼管，關閉其它位
//SMG_q=1;
SMG_b=1;
SMG_s=0;
SMG_g=1;
P0=table[l_disbuff[2]];
break;
case 3: //選擇個位數碼管，關閉其它位
//SMG_q=1;
SMG_b=0;
SMG_s=0;
SMG_g=1;
P0=table[l_disbuff[3]];
break;
}
l_posit++;
if(l_posit>3)
l_posit=0;
}
void Count(void)
{
time=TH0*256+TL0;
TH0=0;
TL0=0;
S=(time*1.7)/100; ? ? //算出來是CM
if((S>=700)||flag==1) //超出測量范圍顯示“-”
{ ?
?flag=0;
?l_disbuff[1]=10; ? //“-”
?l_disbuff[2]=10; ? //“-”
?l_disbuff[3]=10; ? //“-”
}
else
{
?l_disbuff[1]=S%1000/100;
?l_disbuff[2]=S%1000%100/10;
?l_disbuff[3]=S%1000%10 %10;
}
}
void zd0() interrupt 1 //T0中斷用來計數器溢出,超過測距范圍
{
? ? flag=1; //中斷溢出標志
}
void ?zd3() ?interrupt 3 //T1中斷用來掃描數碼管和計800MS啟動模塊
{
TH1=0xf8;
TL1=0x30;
display();
timer++;
if(timer>=400)
{
?timer=0;
?TX=1; ? ? ? ?//800MS ?啟動一次模塊
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();?
?_nop_();
?TX=0;
}?
}
void ?main( ?void ?)
{ ?
? ? TMOD=0x11; ? //設T0，T1為方式1
TH0=0;
TL0=0; ? ? ? ? ?
TH1=0xf8; ? //2MS定時
TL1=0x30;
ET0=1; ? ? ? ? ? ? //允許T0中斷
ET1=1; ? //允許T1中斷
TR1=1; ? //開啟定時器
EA=1; ? //開啟總中斷
while(1)
{
while(!RX); //當RX為零時等待
TR0=1; ? ?//開啟計數
while(RX); //當RX為1計數并等待
TR0=0; //關閉計數
? ? ?Count(); //計算
}
}
? ? ? ? ? ? ?
四、實物測試
一、模塊介紹
1.1 模塊圖示
模塊共有四個引腳，分別是Vcc（供5V電源）、Trig(控制端，下文簡稱Tr)、Echo（接收端，下文簡稱Ec）、Gnd（地線）
2.2 產品參數
?
二、 工作原理（時序）
在初始狀態時，Tr引腳電平由單片機拉高，Ec引腳電平由傳感器拉低。工作時，首先由單片機將Tr引腳拉低后再給一個高電平脈沖（持續時間至少為10us），傳感器收到該脈沖信號后開始向外發射8個40KHz的方波即用來測距的超聲波。該測距超聲波以聲速（340m/s）向前傳播，在遇到障礙物時，該超聲波被反彈向回傳播，因此最終能夠被傳感器接收到，傳感器會記錄從發射超聲波到接收到超聲波的所經歷的時間t。傳感器在收到返回的信號后，由Ec引腳輸出一個與t相同時間的高電平脈沖。此時，我們只需要通過單片機內部定時/計數器記錄Ec引腳高電平脈沖時間即可得超聲波的傳播時間t。因此可算出傳感器到障礙物間的距離=340*(t/2)? ?(因為t是超聲波一來一回經歷的時間，所以單程時間要除以2）。
?
三、例程（例程均為自己編寫且仿真通過）
單片機為AT89C52，工作頻率為12Mhz，最終結果通過八段數碼管顯示。
注意：因為12MHz的單片機的機器周期為1us，即計數值就等于以us為單位的時間值，因此計算公式 可以寫為? 時間=TH0*256+TL0；但如果使用的單片機工作頻率為11.0592MHz，其機器周期為1.085us，因此時間計算公式需寫為? 時間=（TH0*256+TL0）*1.085
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四、仿真電路
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左肩理想右肩擔當，君子不怨永遠不會停下腳步！
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大多數人感覺超聲波測距proteus仿真是無法實現的，雖然proteus自帶的庫有GUR03和SRF04兩種模型，但是卻與實際傳感器使用方法相差甚遠，即使求助度娘也很難找到簡單易懂的教程。
gur03和srf04.png (8.23 KB, 下載次數: 61)
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2020-3-31 23:52 上傳
之前很多人想做超聲波測距仿真但都沒有找到很好的辦法去實現，在軟件里沒有這樣的元件，有人用一個按鍵開關去模擬仿真，這樣仿真出來的效果，非常不好。還有人用555時基電路產生一個延時信號（555電路作為超聲波仿真的內部元件），來模擬超聲波頭發送后遇到回波返射回來的這階段時間，來對單片機超聲波測距單片機系統進行模擬，能完成對超聲波測距模塊大致仿真，但需要繁雜的設計。
下面是一個超聲波測距模塊的proteus模型，能直接用于proteus仿真，且使用方法與實際傳感器幾乎一致，模型如下圖。樓主千辛萬苦終于完成了仿真，分享交流一下，請大家不嗇賜教！
ULTRASonIC SENSOR.png (23.56 KB, 下載次數: 82)
下載附件
2020-3-31 23:56 上傳
（library文件見附件）
下面是仿真效果：
simulation.png (157.85 KB, 下載次數: 77)
下載附件
2020-4-1 00:06 上傳
單片機程序代碼：#include
//生成20us的脈沖寬度的觸發信號
Trig=1;
Delay20us();
Trig=0;
//等待回響信號變高電平
while(!Echo);
TR0=1; //啟動定時器0
//等待回響信號變低電平
while(Echo);
TR0=0; //關閉定時器0
//返回距離值(mm)
return (SPEEDSOUND*(TH0*256.0+TL0))/2000;
}
//HCSR04初始化
void HCSR04_Initialize()
{
SPEEDSOUND=334.1+25*0.61;
Trig=0;
Echo=0;
TMOD=0x01;
}
//測距的數值排序求平均
float DistanceStatistics()
{
uchar i;
float disData;
for(i=0;i<7;i++) //連續測距
{
disData+=MeasuringDistance();
delay(1);
}
return disData/7.0;
}
void main()
{
LcdInitiate();//1602初始化
HCSR04_Initialize();//HC-SR04初始化
while(1)
{
Distancevalue=DistanceStatistics() ;
display_val((int)Distancevalue,0x45);//顯示距離值
delay(1000);
LEDRed=~LEDRed; //測距系統工作指示燈
}
}
復制代碼
全部文件已打包，請自行下載(2個文件內容一樣,推薦下載7z的)：
7z:
7z壓縮版.7z
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2021-4-28 19:46 上傳
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winrar:
超聲波測距（仿真原理圖+源程序）.rar
(102.08 KB, 下載次數: 1048)
2021-5-17 18:03 上傳
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