任务59超声波测距.docx
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任务59超声波测距
任务5.9超声波测距
5.9.1任务介绍
超声波测距是一种非接触式测距方式，在使用时不受光照、电磁场、被测物色彩等因素影响，加之信息处理简单、速度快、成本低等特点，在机器人避障和定位，液位测量等方面有着广泛的应用。
本节的任务是：
利用51单片机控制超声波测距成品模块（型号HC-SR04）完成测距，测量距离显示在数码管上，要求测距程序不过多占用CPU，可移植性好。
5.9.2知识准备
1、压电式超声波发生器原理
压电式超声波发生器是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波发生器内部中有两个压电晶片和一个共振板，当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，产生超声波。
反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收器了。
HC-SR04中使用的超声波如图5.9.1所示，收发分体，在其底部标有‘T’和‘R’，其中‘T’表示发射探头，‘R’表示接收探头。
与外壳体连在一起引脚的为探头的负极，另外一只为探头的正极。
标称频率为40KHz，最高输入电压40Vp-p，分辨率为10mm。
图5.9.1超声波探头图片
2、超声波测距原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到反射波停止计时。
超声波在空气中的传播速度为334m/s（常温下），根据计时器记录的时间t（从发射到接收的时间差），就可以计算
出发射点距障碍物反射中心点的距离（d），即：
d=334*t/2，这就是所谓的时间差测距法，其示意图如图5.9.2所示。
超声波发射探头和接收探头之间的举例为h，则发射点距离障碍物的垂直举例为s=,由于公式中d远大于h,所以s=d。
图5.9.2超声波测距示意图
图5.9.2时间差测距法示意图
超声波在空气中传播时，常温下传播速度是334m/s，但其传播速度易受温度的影响，声速与温度的关系，如表5.9.1所示。
表5.9.1声速与温度的关系
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
40
声速（m/s）
313
319
325
332
338
344
350
356
根据声速与温度的对应关系，得到公式C=331.5+0.607T,其中T是温度，C是对应的声速。
在测距较为严格的场合，还需要测量环境温度，通过公式换算出当前温度下超声波对应的声速。
3、超声波发射电路简介
超声波发射电路包括两部分：
40Kz脉冲信号产生和脉冲信号功率放大电路。
（1）40KHz脉冲信号
40KHz脉冲信号的产生可以通过单片机产生，也可以通过555等振荡电路产生。
需要注意的是，在超声波测距中，40KHz的脉冲信号不需要一直发送，发送4-10个脉冲即可。
（2）脉冲信号功率放大电路
超声波测距的大小根发射功率的大小有直接的关系。
常用的功率放大电路有三种；非门驱动（74HC04或CD4069），电荷泵芯片（MAX232）驱动，中周变压器驱动。
这三种方式本质是一致的，都是提高脉冲信号的电压来增大发射的功率。
①非门驱动
5.9.3由非门74LS04构成的驱动电路
在图5.9.3中，U1C和U1D并联输出信号加载到超声波的一个引脚，其输出电平和输入电平反相，U1E和U1F的输出信号并联后加载到超声波的另一个引脚，其输出电平和输入电平同相，超声波探头得到了2倍的VCC，从而提高了发射功率，测量的距离变远。
②电荷泵芯片（max232）驱动
MAX232芯片是为串口通信设计的芯片，它的内部有电荷泵，能实现TTL电平和RS232电平的互相转换（TTL电平：
5V逻辑正，0V逻辑负；RS232电平：
+12V为逻辑正，-12V为逻辑负）。
图5.9.4是MAX232驱动超声波的电路图，T1IN和T2IN接收单片机输出的TTL电平，经过MAX232升压后，转化成RS232电平，然后驱动超声波发射探头。
图5.9.4MAX232驱动电路
③中周变压器驱动
将40KHz脉冲信号通过中周变压器升压，也可以提高超声波的发射功率。
40KHz脉冲接变压器的低压端，超声波探头接高压端，变压器要选用中频变压器。
4、超声波接收电路简介
超声波接收探头接收到40KHz的超声波后，将机械能转换为电信号，在接收端会感应出40KHz的电压波形。
由于信号微弱，且易受其他信号的干扰，所以接收端的电路包括信号的放大、滤波和整形。
常见的接收电路专用接收芯片和分立元件搭建的接收电路
①专用接收芯片（CX21016）
CX20106是SONY公司生产的红外接收专用芯片，由于红外载波频率和超声波40KHz频率非常接近，所以可以用它做作为超声波接收电路。
当超声波接收头受到发射信号时，通过CX20106进行前置放大、限幅放大、带通滤波、峰值检波和比较、施密特触发，便可得到处理后的信号。
7脚为信号输出口，没有信号时为高电平，收到后变为低电平，之后又恢复高电平。
②分立原件构建的接收电路
利用集成运放，将超声波放大，并设计40KHz的带通滤波器，然后再经过整形电路就可以得到TTL电平的输出信号。
5、HC-SR04超声波测距模块的特点
HC-SR04超声波测距模块是淘宝上热卖的一个超声波测距成品模块，测距的范围为2cm-4m，测量精度为3mm，体积小、价格便宜，省去了硬件制作的麻烦，特别适合初学者使用。
图5.9.5是HC-SR04模块的外观和接口。
图5.9.5HC-SR04超声波测距模块实物图和接口。
HC-SR04模块体积较小，45*20*15mm。
模块的正面是发射探头和接收探头，背面是由3个集成IC构成的发射和接收电路。
模块接口简单，除了电源和地外，一个引脚是触发信号输入端，另外一个引脚是回响信号输出端。
图5.9.6是其时序图。
图5.9.6HC-SR04模块时序图
通过时序图，我们看到HC-SR04模块使用非常简单：
只需要在Trig端加入一个10us以上的脉冲触发信号，模块就会自动产生8个40KHz的周期电平，并自动检测回波，一旦检测到回波，则在Echo端输出回响信号，回向信号的脉冲宽度与所测量的举例成正比。
40KHz脉冲信号的产生和回波信号的检测都是由模块内部电路来完成的，那么模块是怎么做到这些呢？
图5.9.7HC-SR04超声波测距模块的电路图。
简单分析一下HC-SR04模块的原理图，发射信号的功率驱动由电荷泵芯片MAX232来完成，接收信号由经过4合1运放TL074完成放大、带通滤波和整形，这和我们之前介绍的超声波电路基本一致。
不同的地方在于HC-SR04模块中加入了一片单片机（STC11），Trig引脚接STC11单片机的P5.0引脚，Trig端输出一个10us以上的脉冲触发信号，STC11单片机的P5.1引脚和P5.2引脚输出极性相反的8个40KHz的周期性电平，并通过MAX232提升电压后送到发送探头。
回波信号的检测也是由STC11来完成，检测到回波后，STC11在P6.7引脚输出回响应信号，回响信号的脉冲宽度与测量距离成正比。
51单片机完成HC-SR04的测距流程：
（1）51单片机向模块触发输入端发送一个10us以上的高电平,然后等待模块的回响输出端变成高电平。
（2）检测到回响输出端变成高电平后，单片机立即开定时器计时,当回向输出端变为低电平时停止计时，读取定时器的值,记录的时间为超声波从发射到接收的时间。
（3）从超声波探头到被测物体的距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2。
测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且要尽量平整，超声波探头与被测物体的角度尽量垂直。
图5.9.7HC-SR04超声波测距模块的电路图
5.9.3任务实施
HC-SR04模块厂家配套程序是演示版，不适合嵌入到多任务系统中。
状态机+定时器测脉宽的方法，测量精度高，不过多占用CPU，可移植性好。
1、4位数码管：
段选：
P0，位选，P1。
2、超声波模块：
触发端（Trig）:
P2.0；回响端（Echo）:
P3.2。
1、接口定义：
2、工程结构图和主程序
（1）工程结构图
测距程序的工程结构图如图5.9.10所示
5.9.10工程结构图
除了主函数，其它任务模块包含数码管显示模块和距离测量模块。
（2）主函数（main.c）
程序如下：
#include
#include"MicroDefine.h"
#include"Seg7Display.h"
#include"DistanceMeasure.h"
sbitled=P2^1;
/***************************************************************************
*函数名称：
main（）
*功能：
主函数
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
***************************************************************************/
voidmain（）
{
DelayMs（200）;
TimerInit（）;//定时器初始化
while
（1）
{
if（FlagSystem1Ms==1）
{
led=0;
FlagSystem1Ms=0;
Seg7Display（）;//数码管显示
DistanceToBufffer（）;//缓冲区更新
SonicMeasureDistance（）;//超声波测距
led=1;
}
}
}
程序解释：
主程序内容比较简单，在完成定时器的初始化后，间隔1ms，数码管扫描，刷新一次显示缓冲区，并执行超声波测距任务。
3、其它功能模块
（1）数码管显示模块（Seg7Display.c）
4位数码管显示，第1位数码管加小数点，程序略。
（2）距离测量模块（DistanceMeasure.c）
DistanceMeasure.h:
#ifndef_DISTANCEMEASURE_H_
#define_DISTANCEMEASURE_H_
#include
#include
#include"MicroDefine.h"
#include"Seg7Display.h"
sbitSonicTrig=P2^0;//Trig触发端接口
#defineSonicTrigSetSonicTrig=1
#defineSonicTrigResetSonicTrig=0
//10us宏定义
#defineDelay10Us{_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;\
_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;_nop_（）;}
//变量声明
externbitFlagSystem1Ms;//时标信号
//函数声明
externvoidTimerInit（）;//定时器初始化
externvoidDistanceToBufffer（）;//缓冲区更新
externvoidSonicMeasureDistance（）;//超声波测距
#endif
DistanceMeasure.c:
#include"DistanceMeasure.h"
bitFlagSystem1Ms=0;//时标信号
bitFlagCaptureOk=0;
bitMeasureOk=0;//测量成功标志位
uintPulseWidth=0;//脉冲宽度
uintDistance=0;//测量距离
/***************************************************************************
*函数名称：
TimerInit（）
*功能：
定时器初始化
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
定时器0，测量脉宽；定时器1，1ms时标信号
***************************************************************************/
voidTimerInit（）
{
TMOD=0x29;//定时器0：
0b1001；定时器1:
0b0010。
TH0=TL0=0;//定时器0初值为0
TH1=TL1=56;//定时器1初值为0
IT0=1;//中断0下降沿触发
EX0=1;//开外中断0
ET1=1;//开定时器1中断
EA=1;//开总中断
TR0=TR1=1;//开定时器0和定时器1
}
/***************************************************************************
*函数名称：
Intr0Init（）
*功能：
外部中断0中断服务函数
*入口参数：
无
*出口参数：
无
***************************************************************************/
voidIntr0Isr（void）interrupt0
{
PulseWidth=TH0*256+TL0;//计算脉冲宽度
TH0=TL0=0;//为下一次测量做准备
FlagCaptureOk=1;//捕获成功标志位置1
}
/***************************************************************************
*函数名称：
Timer1Init（）
*功能：
定时器1中断服务函数
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
产生1ms时标信号
***************************************************************************/
voidTimer1Isr（void）interrupt3
{
staticucharCnt200us=0;
if（++Cnt200us>=5）//1ms时标信号到
{
Cnt200us=0;
FlagSystem1Ms=1;
}
}
/***************************************************************************
*函数名称：
DistanceToBufffer（）
*功能：
更新缓冲区
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
MeasureOk=1,测量成功，向缓冲区送测量的距离
MeasureOk=0;测量不成功，向缓冲区送“---”
***************************************************************************/
voidDistanceToBufffer（）
{
if（MeasureOk==1）//测距成功
{
DispBuffer[0]=Distance/100;
DispBuffer[1]=Distance%100/10;
DispBuffer[2]=Distance%10;
}
else//在100ms内，没有完成测距
{
DispBuffer[0]=10;
DispBuffer[1]=10;
DispBuffer[2]=10;
}
}
/***************************************************************************
*函数名称：
SonicMeasureDistance（）
*功能：
距离测量
*入口参数：
无
*出口参数：
无
*说明：
状态机，1ms时标信号驱动。
完成需100ms，即1秒之内测量10次
状态0（1ms）:
发送超声波触发信号
状态1（99ms）：
根据测量的脉宽计算测量距离
***************************************************************************/
voidSonicMeasureDistance（）
{
staticucharMeasureState=0;//状态机
staticucharCnt1Ms=0;//1ms计数变量
switch（MeasureState）
{
case0:
//状态0，发送10us高电平触发信号
{//HC-SR04开始测距
SonicTrigSet;
Delay10Us
SonicTrigReset;
MeasureState=1;//发送完后，转到状态1
}break;
case1:
//状态1,99ms后，根据捕获的结果球距离
{
if（++Cnt1Ms>=99）
{
Cnt1Ms=0;
if（FlagCaptureOk==1）//捕获成功，则计算测量距离，
{//测量成功标志位置1
FlagCaptureOk=0;
Distance=PulseWidth*34/（1000*2）;
MeasureOk=1;
}
else//捕获不成功，测量成功标志位置0
MeasureOk=0;
MeasureState=0;//转到状态0，继续测量
}
}break;
}
}
程序解释：
测距程序中，分2个部分。
第1部分：
定时器配合外中断测量超声波回响信号的高电平脉宽；第2部分：
基于状态机的距离测量。
程序中用到了2个定时器。
定时器1产生1ms时标信号供给主函数使用，方式2。
定时器0配合外部中断0，测量回响信号的高电平宽度。
定时器0中的GATE门置1，方式1，初值为0。
当回响信号的高电平到来时，定时器0开始计时，回向信号高电平结束，定时器0停止计时，并触发外部中断0的中断服务函数。
在外部中断0服务函数中，计算定时器0的计时值作为测量脉宽，置位测量成功标志位（FlagCapture=1），并清零定时器0的初值，为下一次测量做好准备。
主函数间隔1ms扫描SonicMeasureDistance（）函数。
函数以状态机构建，共有2个状态。
状态0：
发送10us的高电平触发信号给HC-SR04模块，HC-SR04接收到高电平触发信号后，连续发送8个40KHz脉冲给超声波发射探头。
需要注意的是程序中的10us延时，_nop_（）是汇编指令，12晶振下，1个_nop_（）是1us，程序中通过宏定义，连续定义了10个_nop_（）的延时，即10us。
另外使用_nop_（）指令，头文件中需包含“intrins.h”头文件。
状态0任务完成后，将状态机变量指向下状态1，下一个1ms，进入状态机1。
状态机1：
当计数变量Cnt1Ms连续计数99次后（99ms后），本次测距结束（测距时间==1ms+99ms=100ms）。
如果回响信号测量成功（FlagCaptureOk=1），将脉宽转换成测量距离，并将测量成功标志位置位（MeasureOk=1）。
如果在本次测量中，没有回响信号，则测量成功标志位清零（MeasureOk=0）。
在DistanceToBufffer（）中，根据MeasureOk标志位，刷新缓冲区。
如果MeasureOk=1，向缓冲区送入4位测量距离值，如果MeasureOk=0,向缓冲区送入“----”。
超声波速度340米/秒=0.034厘米/微秒，根据脉宽计算的距离=PulseWidth×0.034厘米,
这个距离是超声波探头和被测物体来回的距离，所以实际距离还需要再除2。
0.034为浮点数，程序中，分子乘以1000，分母也乘以1000。
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