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。
  

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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。
  

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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：                           

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。

1. #include <reg51.h>
2. #include <stdio.h>
3. #include <intrins.h>
5. // 定义HC-SR04引脚
6. #define TRIG P1_0  // TRIG引脚连接到P1.0
7. #define ECHO P1_1  // ECHO引脚连接到P1.1
9. // 定义LCD控制端口
10. #define LCD_DATA P2   // LCD数据口连接到P2口
11. #define LCD_CTRL P3   // LCD控制口连接到P3口
12. #define RS P3^0
13. #define RW P3^1
14. #define EN P3^2
16. unsigned int time_us = 0;  // 超声波返回时间（微秒）
18. // 延时函数
19. void delay(unsigned int time) {
20.     unsigned int i, j;
21.     for(i = 0; i < time; i++) {
22.         for(j = 0; j < 120; j++);
23.     }
24. }
26. // LCD控制函数：写命令
27. void lcd_write_cmd(unsigned char cmd) {
28.     LCD_DATA = cmd;
29.     RS = 0;    // 选择命令寄存器
30.     RW = 0;    // 选择写操作
31.     EN = 1;    // 使能LCD
32.     delay(5);
33.     EN = 0;    // 关闭使能
34. }
36. // LCD控制函数：写数据
37. void lcd_write_data(unsigned char data) {
38.     LCD_DATA = data;
39.     RS = 1;    // 选择数据寄存器
40.     RW = 0;    // 选择写操作
41.     EN = 1;    // 使能LCD
42.     delay(5);
43.     EN = 0;    // 关闭使能
44. }
46. // LCD初始化
47. void lcd_init() {
48.     lcd_write_cmd(0x38);    // 设置显示模式
49.     lcd_write_cmd(0x0C);    // 打开显示，光标不可见
50.     lcd_write_cmd(0x06);    // 设置光标移位方向
51.     lcd_write_cmd(0x01);    // 清屏
52.     delay(10);
53. }
55. // LCD清屏
56. void lcd_clear() {
57.     lcd_write_cmd(0x01);    // 清屏命令
58.     delay(10);
59. }
61. // LCD显示字符串
62. void lcd_display_string(char* str) {
63.     while(*str) {
64.         lcd_write_data(*str);
65.         str++;
66.     }
67. }
69. // 初始化HC-SR04模块
70. void ultrasonic_init() {
71.     TRIG = 0;   // 初始化TRIG为低电平
72.     ECHO = 0;   // 初始化ECHO为低电平
73. }
75. // 获取超声波的回波时间
76. unsigned int get_ultrasonic_time() {
77.     unsigned int count = 0;
78.    
79.     // 发送一个10us的脉冲触发超声波
80.     TRIG = 1;
81.     delay(1);  // 延时1微秒
82.     TRIG = 0;
84.     // 等待ECHO变为高电平，开始计时
85.     while(ECHO == 0);
86.    
87.     // 开始计数
88.     while(ECHO == 1) {
89.         count++;
90.         delay(1);  // 每1微秒增加计数
91.     }
92.     return count;
93. }
95. // 主程序
96. void main() {
97.     unsigned int distance;
98.     unsigned int time_in_us;
99.     float distance_cm;
100.    
101.     lcd_init();  // 初始化LCD
102.     ultrasonic_init();  // 初始化超声波模块
104.     while(1) {
105.         // 获取回波时间
106.         time_in_us = get_ultrasonic_time();
108.         // 计算距离：声速343米/秒，1米=100厘米，1秒=1000000微秒
109.         distance_cm = (float)(time_in_us * 343) / 20000;  // 距离 = (时间 * 声速) / 2
110.         
111.         // 显示距离
112.         lcd_clear();
113.         lcd_display_string("Distance:");
114.         lcd_write_data(' ');
115.         lcd_write_data((unsigned char)(distance_cm / 10) + '0');  // 显示十位
116.         lcd_write_data((unsigned char)(distance_cm % 10) + '0');  // 显示个位
117.         delay(500);
118.     }
119. }

复制代码

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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