蓝桥杯电子类单片机提升一——超声波测距

前言

单片机资源数据包_2023

一、超声波测距原理

二、超声波测距的应用

1.超声波的发射

2.单片机知识补充：定时器

3.超声波的接收与计时

4.距离的计算

1）定时器1为16位自动重载＋1T@11.0592MHz

2）定时器1为16位自动重载＋12T@11.0592MHz

3）定时器1为16位自动重载＋1T@12MHz

4）定时器1为16位自动重载＋12T@11.0592MHz

总结

5.代码完善

 三、完整代码展示

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前言

关于蓝桥杯比赛时会提供的资料前几篇都有提到，这里就不在赘述了，只放一个下载链接：

单片机资源数据包_2023

除了基础部分的按键、LED灯，数码管扫描，还有温度传感器，AD/DA转化，EEPROM存储器，RTC之外，还有三个模块考试的时候可能会考，分别是超声波，NE555和串口。近几年的题也是越来越难，这三个模块也逐渐出现在了省赛的舞台上（当然如果进国赛了，这几个模块就都可能考了）。提升篇主要针对这三个模块进行介绍。

由于这三个模块比赛时不会提供底层代码，所以许多都需要咱们自己来完成，所以不同人写的代码，差异性可能会更大。此外这些代码会涉及到单片机运行的底层知识，关于单片机基础部分的内容，提升篇也会尽可能介绍一部分（当然如果你不会也没关系，文章会教你如何用stc生成或者查数据手册，就算不知道原理，小背一背也是能自己实现的）

一、超声波测距原理

超声波测距的原理很简单，就是超声波发送装置先发送一段超声波，然后开始计时，一直等到接收端接收到反射回来的超声波，然后停止计时。记录的这段时间T，就是超声波碰到物体在返回的时间，超声波的速度一般取340m/s，那么物体距离超声波测距装置的距离S=V*T/2.很好理解，这里就不在画图进行过多介绍了。

发射

接收 

 这两张分别是在原理图上的超声波发射和接收电路，这里也不过多介绍。

在使用超声波之前，我们需要正确配置跳线帽。 也就是将J2 2x3的排针的A1和A相连，B1与B相连，这样超声波发送端就与P10相连了，接收端就与P11相连了。换言之，超声波的数据发送引脚TX=P10；数据接收引脚RX=P11。

二、超声波测距的应用

第一章已经介绍了超声波测距的原理，无非是发送，计时，接收信号+数据处理（把时间信息转化为距离信息），接下来咱们一一实现着三个步骤

1.超声波的发射

超声波的发送，就是需要我们通过TX引脚发送8个40KHz的超声波信号（具体为什么测距需要用40KHz的超声波，可以自行百度）。

我们知道，40KHz的信号，一个周期就是25微秒，那半个周期就约13us。理论上我们只需让TX置为1，然后延时13us，然后在让TX置为0，再延时13us就完成了一个40KHz信号的发射。放在一个for循环内，即可完成发送8个40KHz的信号。

但是，实际在用的时候，延时13us往往不够，难以读取到有效的数据（当然，读者可以自行测试，也就修改一个延时函数的功夫），这里把延时改为14us，如果读取的数据仍旧存在问题，如突然跳到一个特别大的值，然后又突然回归正常等，我们可以适当增加延时。对应到代码上的话，我们可以通过微调Delay14us内的i的值，来增大延时，下面是发送TX与RX的引脚定义与发送超声波的代码：

sbit TX=P1^0;
sbit RX=P1^1;

void Delay14us(void)    //@11.0592MHz
{
    unsigned char data i;

    _nop_();
    i = 45;//11.0592MHz的单片机，使用stc生成14us延时时，i等于36，这里稍微增大了i让延时增大
    while (--i);
}

void send_wave(void)//发送超声波的函数
{
    unsigned char i=0;
    for(i=0;i<8;i++)//发送8个40KHz的超声波
    {
        TX=1;Delay14us();
        TX=0;Delay14us();
    }    
}

2.单片机知识补充：定时器

在进行第二步：计时之前，需要先“科普”一下51系列单片机的基础知识。

单片机的数据手册可以通过新版的STC-ISP下载，或者点击下边的蓝字进行下载/查看

 STC15用户手册（点击查看或下载）

对于15单片机的定时器，也有许多，这里只挑对于超声波有用的寄存器讲。

这有一段STC-ISP生成的代码，系统频率为11.0592MHz，定时器1，定时长度为1ms，定时器模式为16位自动重，时钟频率为1T的定时器1的初始化代码

void Timer1_Init(void)        //1毫秒@11.0592MHz
{
    AUXR |= 0x40;            //定时器时钟1T模式
    TMOD &= 0x0F;            //设置定时器模式
    TL1 = 0xCD;                //设置定时初始值
    TH1 = 0xD4;                //设置定时初始值
    TF1 = 0;                //清除TF1标志
    TR1 = 1;                //定时器1开始计时
}

首先先解释一下为什么是定时器1，而不是定时器0呢，因为定时器0我们在比赛时百分百要用到，而其他定时器，或者说需不需要额外的定时器则是需要根据题目要求来判定，所以我们定时器0里面有我们需要运行的代码，我们可以开一个单独的定时器1来完成超声波，注意，超声波检查需要一个单独的定时器。

然后我们再看代码，第一行AUXR是辅助寄存器，用于控制时钟是1T还是12T，这个1T就是指不分频或者说1倍分频，12T就是指12分频。数据手册上也有，但是我们可以直接用STC-ISP来生成1T或者12T的代码，就不在赘述了。

对于第二行TMOD寄存器是用来控制定时器模式的，定时器主要有定时和计数功能。

定时就是我们经常使用的模式，计数器模式我们在NE555会用到。而在超声波测距时，我们恰恰是需要定时器去计时。

定时模式又有16位自动重载，16位自动重载，8位自动重载等模式（注意，不是所有8051系列单片机都有这些模式的），我们一般用16位自动重载，自动重载的意思就是，定时器溢出之后（定时器中断），定时器的TL和TH值会自动重新变为初始值，而不需要代码重置。

TL1 = 0xCD;                //设置定时初始值
TH1 = 0xD4;                //设置定时初始值

这两个就是刚才提到的TL和TH，这里是定时器1的TL和TH，所以是TL1和TH1，两个都是8位二进制数，合在一块刚好是16位二进制，其中，TH1是高八位，TL1是低八位，定时器开始计数时，他们就会自增1，直到溢出。根据它俩的初始值不同，我们可以设置出不同时间长度的定时器。

当定时器的TH1和TL1溢出时，TF1就会被置为1，同时引起定时器中断（当然前提是允许中断）。

当TR1=1时，定时器开始计时，TR1=0时，定时器停止计时。

综上，如果我们想用定时器1计时的话，就不能一开始就开启定时器计时，需要等我们发送完超声波之后再开始计时，也就是令TR1 =1，并且需要先将 TL1和TH1置为0，这样方便我们计算。等接收到信号之后，我们需要将TR1置为0停止计时，此时TH1和TL1存的数据，就是从开始计时到结束计时这一段的时间了，当然这个时间的单位可不是s呦。除此之外，如果长时间没有收到返回的超声波信号，一直等到TH1和TL1从0累加到溢出，也就是使TF1=1了，那说明没有检测到有效信号，我们也需要进行单独处理。

3.超声波的接收与计时

当发送完超声波之后，我们立即开始计时。当超声波接收端RX检测到信号时，会被置为1，也就是当检测到RX为1时，说明检测到超声波返回的信号了，我们也立刻停止计时，这段时间ultar_t就是超声波从发生到反射回来的时间，也就是超声波走了一个来回的时间。接下来，我们用代码来实现这个功能：

send_wave();
TR1=1;//开始计时
while((RX==1)&&(TF1==0));//计时的条件：没有收到反射回来的超声波，且定时器没有溢出
TR1=0;//停止计时
if(TF1==1)//定时器溢出，说明在一段时间内没收到反射回的超声波（代码/硬件/真的是因为距离太远都有可能导致没收到信号）
{
    TF1=0;
    ultar_t=0;//这个值可以随意设置，总之就是如果没有接收到反射回来的超声波时，要如何显示的值。。这里是接收到反射回来的超声波，就显示0
}
else//跳出那个while循环，不是因为TF1=1了，就是因为RX=0了，这个else的情况就是RX=0;也可以写成else if(RX==0);
{
    ultar_t=TH1;
    ultar_t<<=8;
    ultar_t|=TL1;
}

注意这里对TF1=1的情况也进行了处理，也就是没检测到信号的情况。

4.距离的计算

我们已经求得了时间ultar_t，但是这个时间的单位不是S也不是ms等，需要先进行转化成真正的时间才能用于距离的计算，关于距离的计算又涉及到了单片机的知识，这里根据单片机设置的频率不同和定时器时钟模式不同分开介绍。

1）定时器1为16位自动重载＋1T@11.0592MHz

void Timer1_Init(void)        //@11.0592MHz
{
    AUXR |= 0x40;            //定时器时钟1T模式
    TMOD &= 0x0F;            //设置定时器模式
    TL1 = 0x00;                //设置定时初始值
    TH1 = 0x00;                //设置定时初始值
    TF1 = 0;                //清除TF1标志
    //TR1 = 1;                //定时器1开始计时
}

实际的时间＝ultar_t*1/11059200（秒）

距离remote=ultar_t*1/11059200*340*100/2（厘米）

2）定时器1为16位自动重载＋12T@11.0592MHz

void Timer1_Init(void)        //1微秒@11.0592MHz
{
    AUXR |= 0xBF;            //定时器时钟1T模式
    TMOD &= 0x0F;            //设置定时器模式
    TL1 = 0x00;                //设置定时初始值
    TH1 = 0x00;                //设置定时初始值
    TF1 = 0;                //清除TF1标志
    //TR1 = 1;                //定时器1开始计时
}

实际的时间＝ultar_t*1/11059200*12（秒）

距离remote=ultar_t*1/11059200*12*340*100/2（厘米）

3）定时器1为16位自动重载＋1T@12MHz

初始化函数与1）相同

实际的时间＝ultar_t*1/12000000*12（秒）

距离remote=ultar_t*1/12000000*12*340*100/2（厘米）

4）定时器1为16位自动重载＋12T@11.0592MHz

初始化函数与2）相同

实际的时间＝ultar_t*1/12000000*12（秒）

距离remote=ultar_t*1/12000000*12*340*100/2（厘米）

总结

实际的距离等于ultar_t*1/主频*分频倍数*340*100/2（厘米）

对于1T和12T，12T就是十二分频，简单点说就是定时器记录的最长时间变为1T的十二倍，同时精度也变为原来的12倍，但是其实1T模式下，最远检测的距离等于65535*1/11059200*340*100/2≈100cm，100cm已经很远了，我用这个超声波时，测到70就已经很难了，所以一般情况下1T模式，而且不对超过100cm进行处理，也足够了。

对于主频率，比赛的时候，有时候会要求使用12MHz的主频（近几年来，可谓是大概率会这样要求），我们需要通过isp更改单片机内部的设置。关于主频的设置，我们只需在下载程序之前调一下IRC频率，下载程序之后会把单片机内部的设置一同更改了。我们也可以使用“检测MCU”选项，检测当前单片机内部的一些设置。

5.代码完善

与LED灯闪烁类似，我们并不期望无时无刻地发送与接收，而是每隔一定时间发送接受一次，再加上刚才关于距离计算的代码，以及每轮之后将相关数据清空，我们可以总结出超声波测距过程的代码：

if(count_ultar==1)
{
    count_ultar=0;
    send_wave();
    TR1=1;//开始计时
    while((RX==1)&&(TF1==0));//计时的条件：没有收到反射回来的超声波，且定时器没有溢出
    TR1=0;//停止计时
    if(TF1==1)//定时器溢出，说明在一段时间内没收到反射回的超声波（代码/硬件/真的是因为距离太远都有可能导致没收到信号）
    {
        TF1=0;
        ultar_t=0;//这个值可以随意设置，总之就是如果没有接收到反射回来的超声波时，要如何显示的值。。这里是接收到反射回来的超声波，就显示0
    }
    else//跳出那个while循环，不是因为TF1=1了，就是因为RX=0了，这个else的情况就是RX=0;也可以写成else if(RX==0);
    {
        ultar_t=TH1;
        ultar_t<<=8;
        ultar_t|=TL1;
    }

     remote=(unsigned int)(ultar_t*0.0015);//定时器1是1T。注意需要修改Timer1_Init()内的内容
    //remote=(unsigned int)(ultar_t*0.0184);//定时器1是12T
  
    ultar_t=0;
    TH1=0;
    TL1=0;
    }

    Delay100ms();
}

count_ultar为0时，200ms之后会被定时器置为1，也就是每200ms发送接收一次超声波。

unsigned int ultar_t=0;

bit count_ultar=0;

void Timer0_Isr(void) interrupt 1
{    
    if(count_ultar==0)
    {
        if(++count_200>200)
        {
            count_ultar=1;
            count_200=0;
        }

}

 三、完整代码展示

现在，完成以下功能对刚才介绍的功能进行演示：

1.单片机主频率设置为11.0592MHz

2.通过超声波读取距离信息，并显示到前三位数码管上，单位：CM

main.c

#include <stc15.h>
#include <intrins.h>code unsigned char Seg_Table[] =
{
0xc0, //0
0xf9, //1
0xa4, //2
0xb0, //3
0x99, //4
0x92, //5
0x82, //6
0xf8, //7
0x80, //8
0x90, //9
0xFF
};#define NIXIE_CHECK()	P2|=0xC0;P2&=0xDF;P2&=0x1F;
#define NIXIE_ON()	P2|=0xE0;P2&=0xFF;P2&=0x1F;void Timer0_Init(void);		//1毫秒@11.0592MHz
void Delay100ms(void);	//@11.0592MHz
void send_wave(void);
void Timer1_Init(void);		//1毫秒@11.0592MHzunsigned char location=0;
unsigned char Nixie_num[]={10,10,10,10,10,10,10,10};
bit count_ultar=0;//时间标志位
unsigned int remote=0;//距离信息
unsigned int ultar_t=0;//超声波往返的时间信息，注意必须用uint，不能用uchar
sbit TX=P1^0;//定义超声波的TX
sbit RX=P1^1;//定义超声波的RX
void main()
{Timer0_Init();Timer1_Init();EA=1;Delay100ms();while(1){if(count_ultar==1){count_ultar=0;send_wave();TR1=1;//开始计时while((RX==1)&&(TF1==0));//计时的条件：没有收到反射回来的超声波，且定时器没有溢出TR1=0;//停止计时if(TF1==1)//定时器溢出，说明在一段时间内没收到反射回的超声波（代码/硬件/真的是因为距离太远都有可能导致没收到信号）{TF1=0;ultar_t=0;//这个值可以随意设置，总之就是如果没有接收到反射回来的超声波时，要如何显示的值。。这里是接收到反射回来的超声波，就显示0}else//跳出那个while循环，不是因为TF1=1了，就是因为RX=0了，这个else的情况就是RX=0;也可以写成else if(RX==0);{ultar_t=TH1;ultar_t<<=8;ultar_t|=TL1;}remote=(unsigned int)(ultar_t*0.0015);//定时器1是1T。注意需要修改Timer1_Init()内的内容//remote=(unsigned int)(ultar_t*0.0184);//定时器1是12Tultar_t=0;TH1=0;TL1=0;}//数码管显示距离信息Nixie_num[0]=remote/100%10;Nixie_num[1]=remote/10%10;Nixie_num[2]=remote/1%10;Delay100ms();}
}unsigned int count_200=0;
void Timer0_Isr(void) interrupt 1
{P0=0x01<<location;NIXIE_CHECK();P0=Seg_Table[Nixie_num[location]];NIXIE_ON();if(++location==8)location=0;if(count_ultar==0)//如果标志位为0{if(++count_200>200)//200ms后,将时间标志位置为1{count_ultar=1;count_200=0;}}
}void Timer0_Init(void)		//1毫秒@11.0592MHz
{AUXR |= 0x80;			//定时器时钟1T模式TMOD &= 0xF0;			//设置定时器模式TL0 = 0xCD;				//设置定时初始值TH0 = 0xD4;				//设置定时初始值TF0 = 0;				//清除TF0标志TR0 = 1;				//定时器0开始计时ET0 = 1;				//使能定时器0中断
}
void Timer1_Init(void)		//1毫秒@11.0592MHz
{AUXR |= 0x40;			//定时器时钟1T模式//AUXR &= 0xBF;			//定时器时钟12T模式TMOD &= 0x0F;			//设置定时器模式TL1 = 0x00;				//设置定时初始值TH1 = 0x00;				//设置定时初始值TF1 = 0;					//清除TF1标志//TR1 = 1;				//定时器1开始计时
}void Delay100ms(void)	//@11.0592MHz
{unsigned char data i, j, k;_nop_();_nop_();i = 5;j = 52;k = 195;do{do{while (--k);} while (--j);} while (--i);
}
void Delay14us(void)	//@11.0592MHz
{unsigned char data i;_nop_();i = 45;//11.0592MHz的单片机，使用stc生成14us延时时，i等于36，这里稍微增大了i让延时增大while (--i);
}void send_wave(void)//发送超声波的函数
{unsigned char i=0;for(i=0;i<8;i++)//发送8个40KHz的超声波{TX=1;Delay14us();TX=0;Delay14us();}	
}