【STC15单片机】 超声波模块的使用

 

目录

 1 基于STC15F2K60S2的超声波测距代码

1.1 基本注意事项

1.1.1 跳线帽接法

1.1.2 晶振设置

1.2 板载超声波工作原理

1.2.1 原理总结

1.2.2 超声波代码思路

1.3 STC15单片机代码部分

1.3.1 定时器0&定时器1初始化

1.3.2 超声波ultrasonic.c  ultrasonic.h文件配置

1.3.3 距离计算

1.3.4 数码管

1.3.5 主函数

2 缺陷

2.1 传播速度

2.2 代码

3 超声波距离报警器

4 超声波模块（HC-SR04）代码（51单片机）

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1 基于STC15F2K60S2的超声波测距代码

单片机型号说明：IAP15F2K61S2

新建工程时单片机型号选择STC15F2K60S2

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超声波测距模块的工作原理及应用

使用定时器产生超声波发射频率

1.1 基本注意事项

1.1.1 跳线帽接法

蓝桥杯单片机开发板 J13跳线帽 选择I/O模式

超声波和数码管之间的两个跳线帽接法：横着接（1-3）（2-4），J2两个跳线帽接到左边是超声波，接到右边是红外通信模块

本开发板用到的芯片是   CX20106A芯片

1.1.2 晶振设置

说明STC15单片机默认晶振频率是11.0592MHz

历年赛题 一般要求选择12MHz

我们只需要在STC-ISP里设置一下即可 

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1.2 板载超声波工作原理

1.2.1 原理总结

        只需要在Trig管脚（TX管脚）发送8个40KHz的超声波脉冲（方波信号），驱动超声波发送探头工作，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，通过Echo管脚(RX管脚)输出

        根据Echo管脚输出高电平的持续时间可以继续距离值

        即距离值为：(高电平时间*340m/s)/2

1.2.2 超声波代码思路

1. 发送8个40KHz的超声波信号
2. 检测接收管脚高电平时间
3. 根据时间计算距离值

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1.3 STC15单片机代码部分

1.3.1 定时器0&定时器1初始化

定时器0用作基准定时
定时器1用作超声波距离检测，定时器1不需要中断

void Timer0_Init(void)		//1毫秒 @12.000MHz @16位自动重载模式
{AUXR |= 0x80;		//定时器时钟1T模式TMOD &= 0xF0;		//设置定时器模式TL0 = 0x20;		//设置定时初始值TH0 = 0xD1;		//设置定时初始值TF0 = 0;		//清除TF0标志TR0 = 1;		//定时器0开始计时ET0 = 1;EA = 1;	
}void Timer1_Init(void)
{AUXR |= 0x40;		//定时器时钟1T模式TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
}

1.3.2 超声波ultrasonic.c  ultrasonic.h文件配置

这里先粘贴超声波模块的代码，具体计算过程放在1.3.3距离计算讲解 

#include "ultrasonic.h"unsigned char Ultrasonic_Time_Flag;	//200ms置1/*TX引脚发送40KHz方波信号驱动超声波发送探头1/40KHz = 0.000025s = 0.025ms = 25us使用软件延时注意RC振荡器频率
*/
void Ultrasonic_Delay25us()		//@12.000MHz 超声波专用的延时函数
{unsigned char i;_nop_();_nop_();i = 72;while (--i);
}
void Send_wave(void)	//发送40KHz的方波信号函数
{unsigned char i;for (i = 0; i < 8; i ++ ){TX = 1; Ultrasonic_Delay25us();
//		somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;TX = 0; Ultrasonic_Delay25us();
//		somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;somenop;}
}//超声波测距函数
float Ultrasonic_Ranging(void)
{unsigned int Ranging_Time;	//测距的时间float Distance;if (1 == Ultrasonic_Time_Flag)	//200ms接受一次数据{Ultrasonic_Time_Flag = 0;	//200ms时间标志位置0Send_wave();	//发送方波信号TR1 = 1;		//启动计时while ((1 == RX) && (0 == TF1));	//等待收到脉冲TR1 = 0;		//关闭计时if (1 == TF1)	//发生溢出{TF1 = 0;Distance = 99;	//报错误数据}else{//Ranging_Time = (TH1<<8) | TL1;Ranging_Time = TH1*256 + TL1; Distance = Ranging_Time*0.017;    //0.017 @12MHz 和 0.18446 @11.0592MHzDistance /= 12.0;	//STC15单片机运行速度是51单片机的12倍，这里要除以12.0if (Distance >= 99) Distance = 99;	//限幅}TH1 = 0;    //复位清零TL1 = 0;		}return Distance;
}//定时器0中断服务函数
void Timer0_Rountine(void) interrupt 1
{static unsigned int T0Count0;T0Count0++;if(T0Count0 >= 200)	//200ms{//执行操作Ultrasonic_Time_Flag = 1;T0Count0 = 0;	//软件复位}
}

//ultrasonic.h 文件#ifndef __ULTRASONIC_H__
#define __ULTRASONIC_H__#include <STC15F2K60S2.H>
#include "intrins.h"#define somenop {_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_();_nop_(); _nop_();}sbit TX = P1^0;  //发射引脚
sbit RX = P1^1;  //接收引脚float Ultrasonic_Ranging(void);#endif

关于ultrasonic.c文件的一些解释说明

1. Ultrasonic_Delay25us函数是Send_wave的内部调用函数，就是生成一个40KHz方波信号的函数
2. 超声波测距函数，带float类型返回值，直接调用Ultrasonic_Ranging函数返回float类型的距离
3. 注意Distance /= 12.0; 不能写Distance /= 12; 因为Distance是float类型！！！
4. 定时器0中断服务函数放在本文件中，因为方便使用200ms的标志位Ultrasonic_Time_Flag

1.3.3 距离计算

计算公式：s = v*t  

1. s：距离
2. v：声音的传播速度
3. t：传播时间！

对于51单片机@12.000MHz晶振而言，1个时钟周期 = 1 /（时钟源频率） = 1/12,000,000

1个机器周期 = 12个时钟周期

所以一个机器周期的时间就是 1 / 12,000,000 * 12 s = 12/12,000,000 = 1/1,000,000s

一个机器周期定时器计数加一

这里讲清楚了定时器计数加一的时间， 所以我们只需要获得定时器1的计数次数就能计算出超声波模块的传播时间，进而求的距离

高电平计数次数：TH1 * 256 + TL1

超声波模块计时时间 t  =（TH1 * 256 + TL1）* 12 / 12000000

由于这个计数时间是双程距离（一个来回的距离），所以时间应该除以2

t  = （TH1 * 256 + TL1）* 12 / 12000000 / 2

声速 = 340m/s，s = v*t 单位是米（m），最后乘以100，将单位换算成厘米（cm）

t  = （TH1 * 256 + TL1）* 12 / 12000000 / 2

∴ 距离  = （TH1 * 256 + TL1）* 12 / 12000000 / 2 * 340 * 100（cm）

∴距离  =  （TH1 * 256 + TL1）*0.017 （cm）

上述式子 用橙色标记的数据是一个机器周期

注意：

如果STC15单片机没用使用AUXR寄存器，使用12T模式，那么蓝桥杯单片机开发板运行速度和51单片机一致，到这里距离计算就ok了，可以直接拿到数码管上显示。

！！！

但是我们配置的定时器0使用AUXR寄存器，配置为1T模式，所以蓝桥杯单片机开发板运行速度是51单片机的12倍，所以最后要修正一下距离数据，最后将距离数据除以12.0，就得到真正的距离了

对于@11.0592MHz的晶振而言

一个机器周期时间就是12/11.0592MHz = 12/11059200s，一个机器周期定时器计数加一
所以用超声波模块计时时间 t = (TH1*256+TL1)*12/11.0595/1000/1000
由于这个计数时间是双程距离（来回），所以时间要/2  

t = (TH1*256+TL1)*12/11.0595/1000/1000/2
声速340m/s ，s = v*t 单位是m，最后乘以100 单位化成cm
将后面计算简化得0.01844618

    (TH1*256+TL1)*12/11.0595/1000/1000/2*340*100  (cm)
   =(TH1*256+TL1)*1.085/58
   =(TH1*256+TL1)*0.01844618

1.3.4 数码管

由于本人懒得一批，直接copy之前写过的数码管代码

#include "smg.h"//关闭 蜂鸣器继电器LED数码管
void All_Init(void)
{P2 = 0xA0;	// 1010 0000P0 = 0x00;	//off蜂鸣器继电器P2 = 0x80;	// 1000 0000P0 = 0xFF;	//offLEDP2 = 0xC0;	//使能锁存器U8 1100 0000P0 = 0xFF;	//选择所有数码管P2 = 0xFF;	//使能锁存器U7 1111 1111P0 = 0xFF;	//关闭所有数码管
}//15单片机延时函数 @11.0592MHz
void Delay_ms(int xms)
{unsigned char i, j;		while(xms--){_nop_(); _nop_(); _nop_();i = 11;	j = 190;do{while (--j);} while (--i);}	
}/*共阳极码表 ABCDEF都是大写*///0     1     2     3     4     5     6     7     8     9     A     B     C     D     E     F     -    灭
unsigned char NixieTable[] = {0xC0, 0xF9, 0xA4, 0xB0, 0x99, 0x92, 0x82, 0xF8, 0x80, 0x90, 0x88, 0x80, 0xC6, 0xC0, 0x86, 0x8E, 0xBF, 0xFF, \0xC0 & 0x7F,  \0xF9 & 0x7F,  \0xA4 & 0x7F,  \0xB0 & 0x7F,  \0x99 & 0x7F,  \0x92 & 0x7F,  \0x82 & 0x7F,  \0xF8 & 0x7F,  \0x80 & 0x7F,  \0x90 & 0x7F,  \0xC1   	//U
};//如果想显示小数点，就 &0x7F void Nixie(unsigned char location, unsigned char number)
{P2 = 0xC0;	//Y6=0;Y6C=1; 使能锁存器U8     P27 = 1; P26 = 1; P25 = 0;switch(location)//选中LED位置,位选{case 1:P0 = 0x01;break;case 2:P0 = 0x02;break;case 3:P0 = 0x04;break;case 4:P0 = 0x08;break;case 5:P0 = 0x10;break;case 6:P0 = 0x20;break;case 7:P0 = 0x40;break;case 8:P0 = 0x80;break;}P2 = 0xFF;	//Y7=0;Y7C=1; 使能锁存器U7     P27 = 1; P26 = 1; P25 = 1;P0=NixieTable[number];//数字Delay_ms(1);P0=0xFF;//消影清零
}/*数码管显示浮点数，支持0-1000以内的浮点数*/
void SMG_ShowFloatNum(float num)
{unsigned char Sep_Num[8]; //一次存放 千百十个...long temp;if (num >= 0)	//正数temp = (long)(num*1000);		else	temp = (long)(-num*1000);Sep_Num[0] = temp / 1000000 % 10;	//千位Sep_Num[1] = temp / 100000  % 10;	//百位Sep_Num[2] = temp / 10000   % 10;	//十位Sep_Num[3] = temp / 1000    % 10;	//个位Sep_Num[4] = temp / 100     % 10;	//小数点后第一位Sep_Num[5] = temp / 10      % 10;	//小数点后第二位Sep_Num[6] = temp  	        % 10;	//小数点后第三位	Nixie(4, Sep_Num[3] + 18);	//下标+18代表显示小数点Nixie(5, Sep_Num[4]);Nixie(6, Sep_Num[5]);Nixie(7, Sep_Num[6]);if 		(num >=10     && num < 100  ) {Nixie(3, Sep_Num[2]);}	//显示十位else if (num >=100    && num < 1000 ) {Nixie(3, Sep_Num[2]); Nixie(2, Sep_Num[1]);}	//显示十位百位else if (num >=1000   && num <= 9999) {Nixie(3, Sep_Num[2]); Nixie(2, Sep_Num[1]); Nixie(1, Sep_Num[0]);}	//显示十位百位千位else if (num > -100   && num <= -10 ) {Nixie(3, Sep_Num[2]); Nixie(2,16);}	//显示十位，并且显示负号else if (num > -1000  && num <= -100) {Nixie(3, Sep_Num[2]); Nixie(2, Sep_Num[1]); Nixie(1,16);}	//显示十位百位，并且显示负号else if (num >= -9999 && num <=-1000) {Nixie(3, Sep_Num[2]); Nixie(2, Sep_Num[1]); Nixie(1, Sep_Num[0]);}	//显示十位百位千位，但是数码管不够了后续想显示出来，就把数码管显示的内容整体往后挪动一个位置即可else if (num > -10    && num < 0    ) {Nixie(3,16);}	//大于-10小于0的负数
}

#ifndef __SMG_H__
#define __SMG_H__#include <STC15F2K60S2.H>
#include "intrins.h"#define OFF_CODE 17	//数码管熄灭码void All_Init(void);	//关闭 蜂鸣器继电器LED数码管
void Delay_ms(int xms);	//15单片机延时函数 @11.0592MHzextern unsigned char NixieTable[];
void Nixie(unsigned char location, unsigned char number);
void SMG_ShowFloatNum(float num);#endif

1.3.5 主函数

/*	实验名称：超声波测距实验开发平台：STC15F2K60S2 @12.000MHz
*/#include <STC15F2K60S2.H>
#include "smg.h"
#include "ultrasonic.h"
#include "Timer0.h"
#include "Timer1.h"float distance;void main()
{All_Init();Timer0_Init();	//基准定时1ms @12.000MHz @16位自动重载模式	Timer1_Init();	//仅初始化定时器1，不需要 计时、中断while(1){distance = Ultrasonic_Ranging();SMG_ShowFloatNum(distance);}
}

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2 缺陷

2.1 传播速度

声音在空气中传播的影响因素有许多

1. 声音的传播速度跟介质的反抗平衡力有关，反抗平衡力就是当物质的某个分子偏离其平衡位置时，其周围的分子就要把它挤回到平衡位置上，而反抗平衡力越大，声音就传播的越快。水的反抗平衡力要比空气的大，而铁的反抗平衡力又比水的大。
2. 声音在空气中的传播速度还与压强有关。
3. 声音在空气中的速度随温度的变化而变化，温度每上升/下降5℃，声音的速度上升/下降3m/s。声音在空气中的传播速度是：空气（15℃）340m/s ，空气（25℃）346m/s 。
4. 声音的传播速度随物质的坚韧性的增大而增加，物质的密度减小而减少。一般情况下，同温度下，固体传声最快，液体次之，气体最慢；而在同种介质中，温度越低声速越慢。
5. 声音的传播与阻力有关。声音会因外界物质的阻挡而发生折射，例如人面对群山呼喊，就可以听得到自己的回声。

声音在空气中的传播速度=340m/s，受这么多因素影响，声音的传播速度不一定是标准的340m/s，但是代码中用的就是340这个数据，所以测量距离并不是非常准确

2.2 代码

所测的距离经常超出范围，原因是直接输出所测的距离，解决方案：优化输出距离的数据，用简单的滤波即可

数码管不稳定，能看到闪烁，可以使用定时器刷新数码管，或者采集数据时间更长一点（大概500ms采集一次？）这里留个疑问

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3 超声波距离报警器

使用超声波模块测距，数码管显示距离，蜂鸣器根据距离长短发出不同频率鸣叫

距离越远鸣叫时间越长（频率越小），距离越近鸣叫时间越短（频率越大）

代码有一些小修改

main.c里的float distance;变量拿到ultrasonic.c中定义，然后在.h文件中externa外部声明出去，这样方便数据调用

在ultrasonic.c里声明两个变量

unsigned int  Buzzer_Time_Flag = 1000;    //蜂鸣器报警时间长短标志位
unsigned char Buzzer_Alarm_Flag;          //蜂鸣器报警标志位

定时器0中断服务函数有修改

//定时器0中断服务函数
void Timer0_Rountine(void) interrupt 1
{static unsigned int T0Count0, Buzzer_Count;T0Count0++;if(T0Count0 >= 200)	//200ms{//执行操作Ultrasonic_Time_Flag = 1;T0Count0 = 0;	//软件复位}Buzzer_Count++;if(Buzzer_Count >= Buzzer_Time_Flag)    //大于等于时间标志位（大概是**ms）{Buzzer_Alarm_Flag = !Buzzer_Alarm_Flag;    //鸣叫标志位状态反转，根据这个状态判断是否鸣叫Buzzer_Count = 0;}
}

编写蜂鸣器函数

//蜂鸣器 开启P06 =1,关闭P06 = 0;
void Buzzer_Alarm(void)
{//将main.c的distance变量拿到本文件中，然后外部声明出去，方便这里和主函数的数据调用if (distance) { Buzzer_Time_Flag = distance*10; }	//鸣叫时间 = 距离*10，实现了距离越近，鸣叫时间越短P2 = 0xA0;	// 1010 0000 选中if (1 == Buzzer_Alarm_Flag)	//鸣叫{
//		P06 = 1;P0 = 0x40;	//0100 0000		}else if((0 == Buzzer_Alarm_Flag))	//不鸣叫{
//		P06 = 0;P0 = 0x00;}		
}

控制蜂鸣器最好控制整个P0口，但是P06也能控制

如果没有障碍物，数据就溢出，数码管默认显示99.000，蜂鸣器默认以0.5Hz的频率鸣叫

声明void Buzzer_Alarm(void)函数，在while(1)里调用即可实现功能

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4 超声波模块（HC-SR04）代码（51单片机）

更新中...