单片机：实现驱动超声波（附带源码）
单片机实现驱动超声波模块超声波模块（如HC-SR04）广泛应用于间隔丈量、避障系统、自动驾驶等嵌入式项目中。它能够通过发射超声波信号并接收反射波来计算物体的间隔。本文将介绍怎样使用单片机（如51系列单片机）驱动超声波模块，举行间隔丈量。
1. 项目需求分析
目的：
[*]超声波发送：通过控制超声波模块发射超声波。
[*]超声波接收：接收超声波的反射波并丈量反射时间。
[*]间隔计算：根据反射波的返回时间计算物体与超声波模块之间的间隔。
[*]数据输出：将丈量得到的间隔通过串口、LCD屏幕或LED显示器等方式输出。
功能需求：
[*]发射超声波：通过触发超声波模块的Trig脚发射超声波。
[*]接收回波：通过Echo脚检测超声波回波的到达时间。
[*]间隔计算：使用公式 间隔 = 速度 × 时间 / 2 计算物体与传感器的间隔。
[*]显示：通过LCD屏、LED或者串口输出丈量结果。
2. 硬件计划
2.1 单片机选择
可以选择具有较多I/O口的单片机，如51系列单片机，用于控制超声波模块和显示模块。
2.2 超声波模块（HC-SR04）
超声波模块HC-SR04具有两个主要引脚：
[*]Trig引脚：用于触发超声波的发射，发送一个高电平脉冲。
[*]Echo引脚：用于接收回波信号，返回一个脉冲宽度，表示超声波从发射到接收的时间。
2.3 显示模块
为了显示间隔结果，可以选择：
[*]LCD显示屏：如1602 LCD，用于显示间隔。
[*]串口输出：通过UART接口将计算结果输出到PC或其他装备。
2.4 毗连方式
[*]Trig引脚毗连到单片机的一个GPIO口，用于触发超声波。
[*]Echo引脚毗连到单片机的一个输入口，接收反射波信号。
[*]LCD或串口模块用于显示丈量结果。
3. 软件计划
3.1 超声波模块控制
[*]发送超声波：通过给Trig引脚发送一个持续10微秒的高电平脉冲，触发超声波发射。
[*]接收回波：通过Echo引脚读取回波信号的高电平持续时间，得到信号传播的时间。
3.2 间隔计算
假设声速为343米/秒（在常温下）。根据超声波的传播公式： https://i-blog.csdnimg.cn/direct/5ce5265725dd46f4b21b750ec9e0cb23.png
具体来说，回波时间是超声波从传感器到物体并返回的时间，因此除以2来得到物体与传感器之间的实际间隔。
3.3 代码实现
下面是使用51单片机控制HC-SR04模块，丈量间隔并通过LCD显示的代码示例。
#include <reg51.h>
#include <stdio.h>
#include <intrins.h>
// 定义HC-SR04引脚
#define TRIG P1_0// TRIG引脚连接到P1.0
#define ECHO P1_1// ECHO引脚连接到P1.1
// 定义LCD控制端口
#define LCD_DATA P2 // LCD数据口连接到P2口
#define LCD_CTRL P3 // LCD控制口连接到P3口
#define RS P3^0
#define RW P3^1
#define EN P3^2
unsigned int time_us = 0;// 超声波返回时间（微秒）
// 延时函数
void delay(unsigned int time) {
unsigned int i, j;
for(i = 0; i < time; i++) {
for(j = 0; j < 120; j++);
}
}
// LCD控制函数：写命令
void lcd_write_cmd(unsigned char cmd) {
LCD_DATA = cmd;
RS = 0; // 选择命令寄存器
RW = 0; // 选择写操作
EN = 1; // 使能LCD
delay(5);
EN = 0; // 关闭使能
}
// LCD控制函数：写数据
void lcd_write_data(unsigned char data) {
LCD_DATA = data;
RS = 1; // 选择数据寄存器
RW = 0; // 选择写操作
EN = 1; // 使能LCD
delay(5);
EN = 0; // 关闭使能
}
// LCD初始化
void lcd_init() {
lcd_write_cmd(0x38); // 设置显示模式
lcd_write_cmd(0x0C); // 打开显示，光标不可见
lcd_write_cmd(0x06); // 设置光标移位方向
lcd_write_cmd(0x01); // 清屏
delay(10);
}
// LCD清屏
void lcd_clear() {
lcd_write_cmd(0x01); // 清屏命令
delay(10);
}
// LCD显示字符串
void lcd_display_string(char* str) {
while(*str) {
lcd_write_data(*str);
str++;
}
}
// 初始化HC-SR04模块
void ultrasonic_init() {
TRIG = 0; // 初始化TRIG为低电平
ECHO = 0; // 初始化ECHO为低电平
}
// 获取超声波的回波时间
unsigned int get_ultrasonic_time() {
unsigned int count = 0;
// 发送一个10us的脉冲触发超声波
TRIG = 1;
delay(1);// 延时1微秒
TRIG = 0;
// 等待ECHO变为高电平，开始计时
while(ECHO == 0);
// 开始计数
while(ECHO == 1) {
count++;
delay(1);// 每1微秒增加计数
}
return count;
}
// 主程序
void main() {
unsigned int distance;
unsigned int time_in_us;
float distance_cm;
lcd_init();// 初始化LCD
ultrasonic_init();// 初始化超声波模块
while(1) {
// 获取回波时间
time_in_us = get_ultrasonic_time();
// 计算距离：声速343米/秒，1米=100厘米，1秒=1000000微秒
distance_cm = (float)(time_in_us * 343) / 20000;// 距离 = (时间 * 声速) / 2
// 显示距离
lcd_clear();
lcd_display_string("Distance:");
lcd_write_data(' ');
lcd_write_data((unsigned char)(distance_cm / 10) + '0');// 显示十位
lcd_write_data((unsigned char)(distance_cm % 10) + '0');// 显示个位
delay(500);
}
}
4. 代码解析
[*] 超声波发送与接收：
[*]TRIG引脚：通过给TRIG引脚发送一个10微秒的高电平脉冲来触发超声波的发射。
[*]ECHO引脚：当超声波返回时，ECHO引脚会变为高电平，持续时间与回波时间成正比。我们通过计时检测这个高电平的持续时间。
[*] 间隔计算：
[*]使用公式 间隔 = (时间 * 声速) / 2 来计算物体与超声波模块之间的间隔。声速为343米/秒，单元转换后得出公式。
[*] LCD显示：
[*]LCD显示函数通过将计算出来的间隔显示在LCD屏幕上。
[*]每次丈量时，LCD显示更新一次，展示当前间隔。
[*] 超声波初始化：
[*]ultrasonic_init() 函数用于初始化TRIG和ECHO引脚，确保在程序运行时它们的初始状态精确。
[*] 延时函数：
[*]delay() 函数用于生成延时，避免在按键扫描或超声波回波检测时过快响应。
5. 总结
本项目使用单片机和超声波模块（如HC-SR04）实现了间隔丈量功能。通过TRIG和ECHO引脚控制超声波的发送与接收，计算回波的时间并转换为间隔。结果可以通过LCD显示屏显示出来。此项目实用于简单的间隔丈量和避障系统，也可以扩展为更复杂的功能，如多点丈量、物体追踪等。
扩展方向：
[*]多点丈量：使用多个超声波模块举行多点间隔丈量，形成完整的环境感知系统。
[*]数据存储与处理：将丈量数据存储并举行进一步分析，如将结果发送到上位机举行显示或处理。
[*]障碍物检测与避障：将丈量数据与其他传感器联合，形成自动避障系统。
此项目是一个典范的嵌入式应用，可以资助开辟者深入了解传感器控制、信号处理以及输出显示等根本技能。
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