本篇文章是个人整理的包含超声波测距模块HC-SR04的基本介绍与基本工作原理以及分别通过LCD1602、数码管和串口显示距离的实例讲解与代码的笔记，部分内容来自《HC-SR04超声波测距模块说明书》，代码使用模块化编辑，部分模块来自江科大自化协的51单片机教学视频。
希望大家早日掌握单片机。
文章目录
一、基本介绍
超声波测距模块是根据超声波遇障碍反射的原理进行测距的，能够发送超声波、接收超声波并通过处理，输出一段和发送与接收间隔时间相同的高电平信号，是常用的测距模块之一。HC-SR04是最常用的超声波测距模块之一，HC-SR04超声波模块可提供2cm~400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，工作电压为5V；内部模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。如下为实物与对应端口图：
- Vcc：+5V电源供电；
- Trig：输入触发信号（可以触发测距）；
- Echo：传出信号回响（可以传回时间差）；
- GND：接地。
二、基本工作原理
（1）采用I/O口连接Trig触发测距，给最少10us的高电平后即可发送超声波；
（2）模块自动发送8个40kHz的方波，并自动检测是否有信号返回；
（3）若有信号返回，经内部电路处理后，通过Echo到I/O口输入一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；
（4）测试距离=（高电平时间*音速）/2；音速=340m/s=0.034cm/us。
三、时序图
以上时序图表明你只需要向模块提供一个10us以上的脉冲触发信号，然后该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号，模块就向I/O口输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过回响信号的高电平时间计算得到距离。建议先将单位转换为cm/us，便于数据显示；测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。
- 此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作；
- 测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则会影响测量的结果。
四、实例
（1）最终效果
- 实现超声波测距，并将数据分别显示在LCD1602、数码管和串行通信上。
（2）思路
先将端口初始化（置0），再通过Trig输入一个12us的高电平作为触发信号，最后接收回响信号，回响信号高电平的时间通过定时器0测量——当Echo为1时开始计时，Echo为0时结束计时，不需要打开中断。得到时间后根据公式：测试距离=（高电平时间*音速）/2；音速=340m/s=0.034cm/us，计算出实际距离。
Ⅰ、LCD1602显示
调用LCD1602函数进行显示：
- 注意：连接LCD1602的端口包括P0和P2，连接超声波模块时注意引脚不能冲突。
Ⅱ、数码管显示
调用数码管函数进行显示，使用定时器扫描数码管。
Ⅲ、串行通信显示
- 打开定时器1，配置串行通信，波特率为9600；
- 将距离数据通过串口发送到电脑，将发送中断请求标志位TI置1，使计算机不断接收数据；
- 调用stdio.h中的printf函数可以通过串口在电脑上打印数据。
（3）代码实现
Ⅰ、LCD1602显示
①HCSR04.c
#include <REGX52.H>
#include "Timer0.h"
//定义引脚接口
sbit Trig = P1^0;
sbit Echo = P1^1;
/**
* @brief HC-SR04初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Init()
{
Timer0_Init();
Trig = 0;
Echo = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04接收一个12us的触发信号
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Trig()
{
unsigned char i;
Trig = 1;
i = 5;while (--i); //延时12us
Trig = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Set()
{
HCSR04_Trig();
while(!Echo);
TR0 = 1;
while(Echo);
TR0 = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04计算模块与障碍间的距离
* @param Duration(持续时间) 发送到接收的间隔时间
* @param Distance 模块与障碍间的距离
* @retval Distance
*/
float HCSR04_Calc()
{
unsigned int Duration = 0;
float Distance = 0;
Duration = TH0*256+TL0;
Distance = Duration*0.017;//时间*音速/2，音速=340m/s=0.034cm/us
TH0 = 0;
TL0 = 0;
return Distance;
}
②Timer0.c
#include <REGX52.H>
/**
* @brief 定时器0初始化@11.0592MHz
* @param 无
* @retval 无
*/
void Timer0_Init() //@11.0592MHz
{
TMOD &= 0xF0; //设置定时器模式
TMOD |= 0x01; //设置定时器模式
TH0 = 0; //设置定时初值
TL0 = 0; //设置定时初值
TF0 = 0; //清除TF0标志
TR0 = 0; //定时器0不计时
}
③main.c
#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "HCSR04.h"
#include "LCD1602.h"
unsigned int Distance;
void main()
{
LCD_Init(); //LCD1602初始化
HCSR04_Init(); //HC-SR04初始化
LCD_ShowString(1,1,"Distance:");
LCD_ShowString(2,4,"cm");
while(1)
{
HCSR04_Set(); //HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
Distance = HCSR04_Calc(); //计算距离
LCD_ShowNum(2,1,Distance,3);//调用显示
Delay(20);
}
}
Ⅱ、数码管显示
①Nixie.c
#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
//数码管显示缓存区
unsigned char Nixie_Buf[9]={
0,10,10,10,10,10,10,10,10};
//数码管段码表
unsigned char NixieTable[]={
0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x00,0x40};
/**
* @brief 设置显示缓存区
* @param Location 要设置的位置，范围：1~8
* @param Number 要设置的数字，范围：段码表索引范围
* @retval 无
*/
void Nixie_SetBuf(unsigned char Location,Number)
{
Nixie_Buf[Location]=Number;
}
/**
* @brief 数码管扫描显示
* @param Location 要显示的位置，范围：1~8
* @param Number 要显示的数字，范围：段码表索引范围
* @retval 无
*/
void Nixie_Scan(unsigned char Location,Number)
{
P0=0x00; //段码清0，消影
switch(Location) //位码输出
{
case 1:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=1;break;
case 2:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=0;break;
case 3:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=1;break;
case 4:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=0;break;
case 5:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=1;break;
case 6:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=0;break;
case 7:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=1;break;
case 8:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=0;break;
}
P0=NixieTable[Number]; //段码输出
}
/**
* @brief 数码管驱动函数，在中断中调用
* @param 无
* @retval 无
*/
void Nixie_Loop(void)
{
static unsigned char i=1;
Nixie_Scan(i,Nixie_Buf[i]);
i++;
if(i>=9){
i=1;}
}
- 使用定时器扫描数码管的好处是，在函数循环中调用数码管显示时，不会受到延时函数的影响导致数码管动态显示延时时间延长。
②Timer1.c
#include <REGX52.H>
/**
* @brief 定时器1初始化，[email protected]
* @param 无
* @retval 无
*/
void Timer1_Init(void)
{
TMOD &= 0x0F; //设置定时器模式
TMOD |= 0x10; //设置定时器模式
TL1 = 0x65; //设置定时初值
TH1 = 0xFC; //设置定时初值
TF1 = 0; //清除TF1标志
TR1 = 1; //定时器1开始计时
ET1=1;
EA=1;
PT1=0;
}
/*定时器中断函数模板
void Timer1_Routine() interrupt 3
{
static unsigned int T1Count;
TL1 = 0x65; //设置定时初值
TH1 = 0xFC; //设置定时初值
T1Count++;
if(T1Count>=1000)
{
T1Count=0;
}
}
*/
③HCSR04.c
#include <REGX52.H>
#include "Timer0.h"
//定义引脚接口
sbit Trig = P1^0;
sbit Echo = P1^1;
/**
* @brief HC-SR04初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Init()
{
Timer0_Init();
Trig = 0;
Echo = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04接收一个12us的触发信号
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Trig()
{
unsigned char i;
Trig = 1;
i = 5;while (--i); //延时12us
Trig = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Set()
{
HCSR04_Trig();
while(!Echo);
TR0 = 1;
while(Echo);
TR0 = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04计算模块与障碍间的距离
* @param Duration(持续时间) 发送到接收的间隔时间
* @param Distance 模块与障碍间的距离
* @retval Distance
*/
unsigned int HCSR04_Calc()
{
unsigned int Distance,Duration;
Duration = TH0*256+TL0;
Distance = Duration*0.017;//时间*音速/2，音速=340m/s=0.034cm/us
TH0 = 0;
TL0 = 0;
return Distance;
}
④main.c
#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "HCSR04.h"
#include "Nixie.h"
#include "Timer1.h"
unsigned int Distance;
void main()
{
HCSR04_Init(); //HC-SR04初始化
Timer1_Init(); //定时器1初始化
while(1)
{
HCSR04_Set(); //HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
Distance = HCSR04_Calc(); //计算距离
Nixie_SetBuf(1,Distance/100);
Nixie_SetBuf(2,Distance%100/10);
Nixie_SetBuf(3,Distance%100%10);//调用显示
Delay(50);
}
}
void Timer1_Routine() interrupt 3
{
static unsigned int T1Count1;
TL1 = 0x65; //设置定时初值
TH1 = 0xFC; //设置定时初值
T1Count1++;
if(T1Count1>=2)
{
T1Count1=0;
Nixie_Loop();//2ms调用一次数码管驱动函数
}
}
Ⅲ、串行通信显示
①HCSR04.c
#include <REGX52.H>
#include "Timer0.h"
//定义引脚接口
sbit Trig = P1^0;
sbit Echo = P1^1;
/**
* @brief HC-SR04初始化
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Init()
{
Timer0_Init();
Trig = 0;
Echo = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04接收一个12us的触发信号
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Trig()
{
unsigned char i;
Trig = 1;
i = 5;while (--i); //延时12us
Trig = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
* @param 无
* @retval 无
*/
void HCSR04_Set()
{
HCSR04_Trig();
while(!Echo);
TR0 = 1;
while(Echo);
TR0 = 0;
}
/**
* @brief HC-SR04计算模块与障碍间的距离
* @param Duration(持续时间) 发送到接收的间隔时间
* @param Distance 模块与障碍间的距离
* @retval Distance
*/
float HCSR04_Calc()
{
unsigned int Duration = 0;
float Distance = 0;
Duration = TH0*256+TL0;
Distance = Duration*0.017;//时间*音速/2，音速=340m/s=0.034cm/us
TH0 = 0;
TL0 = 0;
return Distance;
}
②UART.c
#include <REGX52.H>
/**
* @brief 串口初始化，[email protected]
* @param 无
* @retval 无
*/
void UART_Init()
{
//设定定时器0和定时器1的工作模式
TMOD = 0x21;
//设置定时器0用于计时
TH0 = 0;
TL0 = 0; //设定定时器0重装初值
TF0 = 0; //清除TF1标志
TR0 = 0; //停止定时器0
//设置定时器1用于串口波特率
SCON = 0x40; //设定串行口工作方式1
PCON = 0x00; //波特率不翻倍
TH1 = 0xFD;
TL1 = 0xFD; //设定定时器1重装初值,波特率为9600
ET1 = 0; //禁止定时器1中断
TR1 = 1; //启动定时器1
TI = 1; //将发送中断请求标志位置1，使计算机不断接收数据
}
③main.c
#include <REGX52.H>
#include <stdio.h>
#include "Delay.h"
#include "HCSR04.h"
#include "UART.h"
float Distance;
void main()
{
UART_Init(); //串行口初始化
while(1)
{
HCSR04_Set(); //HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
Distance = HCSR04_Calc(); //计算模块与障碍间的距离
printf("--.---cm\n"); //在串口上打印分割线
printf("Distance=%.3f cm\n",Distance); //在串行口上打印距离数据
Delay(200); //延时200ms
}
}