代码收藏家技术教程 19天前

蓝桥杯-单片机基础13：官方开发板超声波传感器CX20106A详解

蓝桥杯单片机组备赛指南请查看：本专栏第1篇文章

本文章针对蓝桥杯-单片机组比赛开发板所写，代码可直接在比赛开发板上使用。

型号：国信天长4T开发板（绿板），芯片：IAP15F2K61S2

（使用国信天长蓝板也可以完美兼容，与绿板几乎无差别）

1. 代码目的

分别采用软件延时与中断两种方式

实现正确设置超声波，并将障碍物距离超声波模块的距离折算成cm显示在数码管上。

数码管显示格式如下：

S						1	2
标识	无用位熄灭					数据位

表示距离为12cm，其中开发板数码管为共阳极连接，符号S的采用数字5表示

2. 命题现状

官方开发板使用的超声波传感器为：CX20106A。该芯片与常见的HC-SR04不同。

20年以前的资料，大家都会说该模块省赛不考，但却是国赛的重点

21年省赛成功考了，因此大家需要在省赛掌握该模块

目前市面上的蓝桥杯超声波代码，基本都是基于小蜜蜂老师的程序，采用软件延时的方式近似产生周期为40Khz的方波，本文将提供采用定时计数器方式的代码。

3. 超声波测距原理

超声波的原理很好理解，通过TX引脚连续发送8个40Khz（周期25us）的方波信号，当信号碰到障碍物便会反射回来被接收，模块自动将RX引脚置为低电平。我们利用定时计数器获取发出信号与接收信号的时间差，乘以声速并除以2便可得到距离。

CX20106A芯片要求发送信号为38KHZ~41KHZ，大部分教程建议取40Khz。

其计算公式如下：

$Distance = \Delta t * V_{ultrasonic} * \frac{1}{2}$

其中：

         $Distance$ 表示距离，

         $\Delta t$ 表示发出信号与接收到信号的时间差，

         $V_{ultrasonic}$ 表示声波的传播速度，一般取340M/S。

同时我们的比赛开发板采用11.0592Mhz，经过12分频后，定时计数器加1为1.085us.

带入计算，并且将单位折算为cm，我们可以得到超声波最终的计算表达式为：

Distance = 0.0184 * 计数值 （cm）

8个40Khz的波形实现：

方法：

比较常见的方法是，利用for循环写8次循环，在一次循环中将TX引脚置为高电平，软件延时13~14us，再将TX引脚置为低电平，软件延时13~14us。从而在一次for循环后，发出了一个周期为26~28us的矩形波。循环8次即发送了8个矩形波信号。

实际测试中，14us的软件延时最完美

出现的问题（可以不看）：

因为方法1会造成8*26us=2.08ms的软件延时，对于数码管或其他外设而言可能会耽误工作时序。因此我们可以采用定时计数器去产生标准12.5us的中断，进行方波信号的发送。当定时值达到12.5us的整数倍时，中断产生，即取反一次TX引脚。共定时12.5*8*2=200us时进行定时，信号发送完成。

但其实2.08ms的软件延时，基本不对数码管造成显著影响。且iic等底层通信有自己的时序，很少产生负面影响。为了节省单片机定时计数器个数，因此忽略该影响

关于定时计数器：

        理论上，假设我们的超声波发出去，不论距离多远只要碰到障碍物都会反射回来。那我们可以测量的范围只由定时计数器的工作方式决定

        当工作在方式0，13位计数器，最大计数值为8192，则最远可以8192*0.0184=150cm

        当工作在方式1，16为计数器，最大计数值65536，则最远可以1205cm

        当工作在方式2，8位计数器，最大计数值256，则最远可以4cm

经过实际测试，只有方式0是比较适合我们实际使用的，因此都采用方式0

        问题（数码管闪烁原因）：如果超声波正常反射并被接收，则等待接收数据的过程较短，不影响数码管的动态显示。但是当没有接收到反射的超声波时，程序等待时长会达到8192*1.085=8.888ms，这个时间会让数码管产生明显的闪烁。因此，我们需要研究如何使用中断方式。但是在蓝桥杯比赛中，开发板上并未将中断的引脚进行连接，因此未接收到信号时的闪烁问题，可以忽略。本文将在末尾提出闪烁的解决方案，供大家一起学习

4. 函数实现参考

软件延时发送超声波：

轮询方式判断是否有超声波信号返回：

5. 开发板原理图介绍（可以不看）

N_B1为超声波模块CX20106A发射端接口，通过跳线帽与TX（P11）引脚相连：

N_A1为超声波模块CX20106A接收端接口，通过跳线帽与RX（P10）引脚相连：

6. 全代码参考

6.1 传统软件延时方法

采用传统软件延时方案的超声波数据显示：

#include <reg52.h>
#include <intrins.h>

sbit AUXR = 0x8e;
sbit TX = P1^0;
sbit RX = P1^1;

void SMGrunning ();

unsigned char code duanma[18]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90,
											0x88,0x80,0xc6,0xc0,0x86,0x8e,0xbf,0x7f};

void select_HC573 ( unsigned char channal )
{
	switch ( channal )
	{
		case 4:
			P2 = ( P2 & 0x1f ) | 0x80;
		break;
		case 5:
			P2 = ( P2 & 0x1f ) | 0xa0;
		break;
		case 6:
			P2 = ( P2 & 0x1f ) | 0xc0;
		break;
		case 7:
			P2 = ( P2 & 0x1f ) | 0xe0;
		break;
	}
}

void state_SMG ( unsigned char pos_SMG , unsigned char value_SMG )
{
	select_HC573 ( 7 );
	P0 = 0xff;
	
	select_HC573 ( 6 );
	P0 = 0x01 << pos_SMG;
	select_HC573 ( 7 );
	P0 = value_SMG;
}
	
void state_SMG_all ( unsigned char value_SMG_all )
{
	select_HC573 ( 6 );
	P0 = 0xff;
	select_HC573 ( 7 );
	P0 = value_SMG_all;	
}

void init_sys ( )
{
	select_HC573 ( 4 );
	P0 = 0xff;
	select_HC573 ( 5 );
	P0 = 0x00;		
}

void Delay1ms()		//@11.0592MHz
{
	unsigned char i, j;

	_nop_();
	_nop_();
	_nop_();
	i = 11;
	j = 190;
	do
	{
		while (--j);
	} while (--i);
}

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

	_nop_();
	i = 36;
	while (--i);
}


void init_timer0 ()
{
	AUXR &= 0x7F;		//定时器时钟12T模式
	TMOD &= 0xF0;		//设置定时器模式
	TL0 = 0x00;		//设置定时初始值
	TH0 = 0x00;		//设置定时初始值
	TF0 = 0;		//清除TF0标志

}
	
void send_sonic ()
{
	unsigned char i;
	for ( i=0 ; i<8 ; i++ )
	{
		TX = 1;
		Delay14us();
		TX = 0;
		Delay14us();
	}
}

unsigned int value_distance = 0;
void read_sonicrunning ()
{
	TL0 = 0x00;
	TH0 = 0x00;

	send_sonic ();
	TR0 = 1;
	
	//当超声波未接受到返回信号，且计时器没有溢出
	while ( (RX ==1) && (TF0 == 0) );
	TR0 = 0;
	
	if ( TF0 == 0 )    //如果接收到了返回信号,且定时器未溢出
	{
		value_distance = TH0;
		value_distance = (value_distance<<8) | TL0;
		value_distance = value_distance * 0.0184;//加7是误差补偿，室温26℃
		
	}
	else    //如果定时器溢出，却还没返回信号
	{
		TF0 = 0;
		value_distance = 999;
	}
}

void SMGrunning ()
{
	state_SMG ( 0 , duanma[5] );
	Delay1ms();

	if ( value_distance>99 )
	{
		state_SMG ( 5 , duanma[value_distance/100%10] );
		Delay1ms();
	}
	if ( value_distance>9 )
	{
		state_SMG ( 6 , duanma[value_distance/10%10] );
		Delay1ms();
	}
	state_SMG ( 7 , duanma[value_distance%10] );
	Delay1ms();
	
	state_SMG_all ( 0xff );
	Delay1ms();
}

void main ()
{
	init_sys ();
	init_timer0 ();
	while ( 1 )
	{
		read_sonicrunning ();
		SMGrunning ();
	}
}