單片機(jī)實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)超聲波模塊

超聲波模塊（如HC-SR04）廣泛應(yīng)用于距離測(cè)量、避障系統(tǒng)、自動(dòng)駕駛等嵌入式項(xiàng)目中。它能夠通過(guò)發(fā)射超聲波信號(hào)并接收反射波來(lái)計(jì)算物體的距離。本文將介紹如何使用單片機(jī)（如51系列單片機(jī)）驅(qū)動(dòng)超聲波模塊，進(jìn)行距離測(cè)量。

1. 項(xiàng)目需求分析

目標(biāo)：

1. 超聲波發(fā)送：通過(guò)控制超聲波模塊發(fā)射超聲波。
2. 超聲波接收：接收超聲波的反射波并測(cè)量反射時(shí)間。
3. 距離計(jì)算：根據(jù)反射波的返回時(shí)間計(jì)算物體與超聲波模塊之間的距離。
4. 數(shù)據(jù)輸出：將測(cè)量得到的距離通過(guò)串口、LCD屏幕或LED顯示器等方式輸出。

功能需求：

1. 發(fā)射超聲波：通過(guò)觸發(fā)超聲波模塊的Trig腳發(fā)射超聲波。
2. 接收回波：通過(guò)Echo腳檢測(cè)超聲波回波的到達(dá)時(shí)間。
3. 距離計(jì)算：利用公式 距離 = 速度 × 時(shí)間 / 2 計(jì)算物體與傳感器的距離。
4. 顯示：通過(guò)LCD屏、LED或者串口輸出測(cè)量結(jié)果。

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2. 硬件設(shè)計(jì)

2.1 單片機(jī)選擇

可以選擇具有較多I/O口的單片機(jī)，如51系列單片機(jī)，用于控制超聲波模塊和顯示模塊。

2.2 超聲波模塊（HC-SR04）

超聲波模塊HC-SR04具有兩個(gè)主要引腳：

• Trig引腳：用于觸發(fā)超聲波的發(fā)射，發(fā)送一個(gè)高電平脈沖。
• Echo引腳：用于接收回波信號(hào)，返回一個(gè)脈沖寬度，表示超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間。

2.3 顯示模塊

為了顯示距離結(jié)果，可以選擇：

• LCD顯示屏：如1602 LCD，用于顯示距離。
• 串口輸出：通過(guò)UART接口將計(jì)算結(jié)果輸出到PC或其他設(shè)備。

2.4 連接方式

• Trig引腳連接到單片機(jī)的一個(gè)GPIO口，用于觸發(fā)超聲波。
• Echo引腳連接到單片機(jī)的一個(gè)輸入口，接收反射波信號(hào)。
• LCD或串口模塊用于顯示測(cè)量結(jié)果。

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3. 軟件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波模塊控制

1. 發(fā)送超聲波：通過(guò)給Trig引腳發(fā)送一個(gè)持續(xù)10微秒的高電平脈沖，觸發(fā)超聲波發(fā)射。
2. 接收回波：通過(guò)Echo引腳讀取回波信號(hào)的高電平持續(xù)時(shí)間，得到信號(hào)傳播的時(shí)間。

3.2 距離計(jì)算

假設(shè)聲速為343米/秒（在常溫下）。根據(jù)超聲波的傳播公式：? ? ? ? ???????????????????

具體來(lái)說(shuō)，回波時(shí)間是超聲波從傳感器到物體并返回的時(shí)間，因此除以2來(lái)得到物體與傳感器之間的實(shí)際距離。

3.3 代碼實(shí)現(xiàn)

下面是使用51單片機(jī)控制HC-SR04模塊，測(cè)量距離并通過(guò)LCD顯示的代碼示例。

#include <reg51.h>
#include <stdio.h>
#include <intrins.h>// 定義HC-SR04引腳
#define TRIG P1_0  // TRIG引腳連接到P1.0
#define ECHO P1_1  // ECHO引腳連接到P1.1// 定義LCD控制端口
#define LCD_DATA P2   // LCD數(shù)據(jù)口連接到P2口
#define LCD_CTRL P3   // LCD控制口連接到P3口
#define RS P3^0
#define RW P3^1
#define EN P3^2unsigned int time_us = 0;  // 超聲波返回時(shí)間（微秒）// 延時(shí)函數(shù)
void delay(unsigned int time) {unsigned int i, j;for(i = 0; i < time; i++) {for(j = 0; j < 120; j++);}
}// LCD控制函數(shù)：寫命令
void lcd_write_cmd(unsigned char cmd) {LCD_DATA = cmd;RS = 0;    // 選擇命令寄存器RW = 0;    // 選擇寫操作EN = 1;    // 使能LCDdelay(5);EN = 0;    // 關(guān)閉使能
}// LCD控制函數(shù)：寫數(shù)據(jù)
void lcd_write_data(unsigned char data) {LCD_DATA = data;RS = 1;    // 選擇數(shù)據(jù)寄存器RW = 0;    // 選擇寫操作EN = 1;    // 使能LCDdelay(5);EN = 0;    // 關(guān)閉使能
}// LCD初始化
void lcd_init() {lcd_write_cmd(0x38);    // 設(shè)置顯示模式lcd_write_cmd(0x0C);    // 打開顯示，光標(biāo)不可見lcd_write_cmd(0x06);    // 設(shè)置光標(biāo)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顯示字符串
void lcd_display_string(char* str) {while(*str) {lcd_write_data(*str);str++;}
}// 初始化HC-SR04模塊
void ultrasonic_init() {TRIG = 0;   // 初始化TRIG為低電平ECHO = 0;   // 初始化ECHO為低電平
}// 獲取超聲波的回波時(shí)間
unsigned int get_ultrasonic_time() {unsigned int count = 0;// 發(fā)送一個(gè)10us的脈沖觸發(fā)超聲波TRIG = 1;delay(1);  // 延時(shí)1微秒TRIG = 0;// 等待ECHO變?yōu)楦唠娖?#xff0c;開始計(jì)時(shí)while(ECHO == 0);// 開始計(jì)數(shù)while(ECHO == 1) {count++;delay(1);  // 每1微秒增加計(jì)數(shù)}return count;
}// 主程序
void main() {unsigned int distance;unsigned int time_in_us;float distance_cm;lcd_init();  // 初始化LCDultrasonic_init();  // 初始化超聲波模塊while(1) {// 獲取回波時(shí)間time_in_us = get_ultrasonic_time();// 計(jì)算距離：聲速343米/秒，1米=100厘米，1秒=1000000微秒distance_cm = (float)(time_in_us * 343) / 20000;  // 距離 = (時(shí)間 * 聲速) / 2// 顯示距離lcd_clear();lcd_display_string("Distance:");lcd_write_data(' ');lcd_write_data((unsigned char)(distance_cm / 10) + '0');  // 顯示十位lcd_write_data((unsigned char)(distance_cm % 10) + '0');  // 顯示個(gè)位delay(500);}
}

4. 代碼解析

1. 超聲波發(fā)送與接收：

   • TRIG引腳：通過(guò)給TRIG引腳發(fā)送一個(gè)10微秒的高電平脈沖來(lái)觸發(fā)超聲波的發(fā)射。
   • ECHO引腳：當(dāng)超聲波返回時(shí)，ECHO引腳會(huì)變?yōu)楦唠娖?#xff0c;持續(xù)時(shí)間與回波時(shí)間成正比。我們通過(guò)計(jì)時(shí)檢測(cè)這個(gè)高電平的持續(xù)時(shí)間。

2. 距離計(jì)算：

   • 使用公式 距離 = (時(shí)間 * 聲速) / 2 來(lái)計(jì)算物體與超聲波模塊之間的距離。聲速為343米/秒，單位轉(zhuǎn)換后得出公式。

3. LCD顯示：

   • LCD顯示函數(shù)通過(guò)將計(jì)算出來(lái)的距離顯示在LCD屏幕上。
   • 每次測(cè)量時(shí)，LCD顯示更新一次，展示當(dāng)前距離。

4. 超聲波初始化：

   • ultrasonic_init() 函數(shù)用于初始化TRIG和ECHO引腳，確保在程序運(yùn)行時(shí)它們的初始狀態(tài)正確。

5. 延時(shí)函數(shù)：

   • delay() 函數(shù)用于生成延時(shí)，避免在按鍵掃描或超聲波回波檢測(cè)時(shí)過(guò)快響應(yīng)。

5. 總結(jié)

本項(xiàng)目使用單片機(jī)和超聲波模塊（如HC-SR04）實(shí)現(xiàn)了距離測(cè)量功能。通過(guò)TRIG和ECHO引腳控制超聲波的發(fā)送與接收，計(jì)算回波的時(shí)間并轉(zhuǎn)換為距離。結(jié)果可以通過(guò)LCD顯示屏顯示出來(lái)。此項(xiàng)目適用于簡(jiǎn)單的距離測(cè)量和避障系統(tǒng)，也可以擴(kuò)展為更復(fù)雜的功能，如多點(diǎn)測(cè)量、物體追蹤等。

擴(kuò)展方向：

1. 多點(diǎn)測(cè)量：使用多個(gè)超聲波模塊進(jìn)行多點(diǎn)距離測(cè)量，形成完整的環(huán)境感知系統(tǒng)。
2. 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與處理：將測(cè)量數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并進(jìn)行進(jìn)一步分析，如將結(jié)果發(fā)送到上位機(jī)進(jìn)行顯示或處理。
3. 障礙物檢測(cè)與避障：將測(cè)量數(shù)據(jù)與其他傳感器結(jié)合，形成自動(dòng)避障系統(tǒng)。

此項(xiàng)目是一個(gè)典型的嵌入式應(yīng)用，可以幫助開發(fā)者深入了解傳感器控制、信號(hào)處理以及輸出顯示等基本技術(shù)。