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）广泛应用于距离测量、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距离。本文将介绍如何使用单片机（如51系列单片机）驱动超声波模块，进行距离测量。

1. 项目需求分析

目标：

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测量反射时间。
距离计算：根据反射波的返回时间计算物体与超声波模块之间的距离。
数据输出：将测量得到的距离通过串口、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。
距离计算 ：利用公式 距离 = 速度 × 时间 / 2 计算物体与传感器的距离。
显示：通过LCD屏、LED或者串口输出测量结果。

2. 硬件设计

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

为了显示距离结果，可以选择：

LCD显示屏：如1602 LCD，用于显示距离。
串口输出：通过UART接口将计算结果输出到PC或其他设备。

2.4 连接方式

Trig引脚连接到单片机的一个GPIO口，用于触发超声波。
Echo引脚连接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测量结果。

3. 软件设计

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 距离计算

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距离。

3.3 代码实现

下面是使用51单片机控制HC-SR04模块，测量距离并通过LCD显示的代码示例。

cpp 复制代码

#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。
距离计算：
- 使用公式 距离 = (时间 * 声速) / 2 来计算物体与超声波模块之间的距离。声速为343米/秒，单位转换后得出公式。
LCD显示：
- LCD显示函数通过将计算出来的距离显示在LCD屏幕上。
- 每次测量时，LCD显示更新一次，展示当前距离。
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正确。
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）实现了距离测量功能。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距离。结果可以通过LCD显示屏显示出来。此项目适用于简单的距离测量和避障系统，也可以扩展为更复杂的功能，如多点测量、物体追踪等。

扩展方向：

多点测量：使用多个超声波模块进行多点距离测量，形成完整的环境感知系统。
数据存储与处理：将测量数据存储并进行进一步分析，如将结果发送到上位机进行显示或处理。
障碍物检测与避障：将测量数据与其他传感器结合，形成自动避障系统。

此项目是一个典型的嵌入式应用，可以帮助开发者深入了解传感器控制、信号处理以及输出显示等基本技术。