原理

超声波测量的原理

超声波由一个超声波模块向前方发出，并在空气中传播，在遇到障碍物时发生反射，再被另一个超声波模块接收。单片机用定时器测量超声波从发出到接收的时长，再根据声速，即可算出超声波模块到障碍物之间的距离。公式：距离=（声速 × Δ时间）÷2 。若距离单位为厘米，时间单位为微秒，距离公式为距离=Δ时间 x 0.017。

另外，对距离进行微分等其他数学运算，还可以得到速度等其他测量值。测速公式：速度= （本次测量距离 - 上次测量距离 ）÷两次测量时间间隔。

以CT107D竞赛板为例，控制单片机在P10输出一段38~41kHz的方波，八个周期，发射模块就会产生一段超声波。当接收模块接收到超声波，则会在P11产生一个下降沿。需测量超声波发出后，到下降沿产生之间的时间长度。下图为示波器测量的P10 P11的波形图。

PCA模块的原理

目前蓝桥杯单片机MCU型号为IAP15F2K61S2，它有一个PCA模块可以用来实现定时、测量脉宽、PWM等功能。在使用PCA模块时，注意加载STC15F2K60S2.H的头文件来定义特殊功能寄存器。

使用PCA模块驱动超声波的优点就在于，它由硬件控制计时，并可以自动捕获电平的变化，装载计数的值同时产生中断。CPU可以在控制发射超声波后，空闲出来进行数码管显示等其他任务。

关于PCA定时器的计数频率，可以选择SYSclk/12，这样时间单位才为微秒，因此CMOD寄存器应该设置为0x01（不要以图示给出的顺序配置CPSn位，请参考数据手册关于CMOD的说明，来配置寄存器）。

对于超声波模块对应的P11引脚，要使PCA工作在下降沿捕获模式，须将CAPN0置位，将CAPP0清零。发送超声波后，先将阵列寄存器(CL CH)和中断标志(CCF0 CF)清零，再开启PCA模块计时及其中断。当P11产生下降沿时，阵列寄存器(CL和CH)的值装载到模块的捕获寄存器(CCAP0L和CCAP0H)中，并产生中断。

中断处理时要判断是下降沿捕获（CCF0==1）还是定时器溢出（CF==1），注意清零中断标志、关闭PCA定时器及其中断标志。

代码

PCA定时器的范例程序

从STC-ISP上可以直接获取PCA定时器的范例程序，在“范例程序 > STC15Fxx/STC15Lxx/STC15Wxx Series > PCA的16位捕获测量脉宽 > C”。或从STC15系列单片机用户手册，第11章11.9节获得范例程序。

选手可在比赛中参考该代码，编写超声波驱动。范例程序如下。

/*---------------------------------------------------------------------*/
/* --- STC MCU Limited ------------------------------------------------*/
/* --- STC15F4K60S4 系列 PCA实现16位捕获举例---------------------------*/
/* --- Mobile: (86)13922805190 ----------------------------------------*/
/* --- Fax: 86-0513-55012956,55012947,55012969 ------------------------*/
/* --- Tel: 86-0513-55012928,55012929,55012966-------------------------*/
/* --- Web: www.STCMCU.com --------------------------------------------*/
/* --- Web: www.GXWMCU.com --------------------------------------------*/
/* 如果要在程序中使用此代码,请在程序中注明使用了STC的资料及程序        */
/* 如果要在文章中应用此代码,请在文章中注明使用了STC的资料及程序        */
/*---------------------------------------------------------------------*///本示例在Keil开发环境下请选择Intel的8058芯片型号进行编译
//若无特别说明,工作频率一般为11.0592MHz#include "reg51.h"
#include "intrins.h"#define FOSC    11059200Ltypedef unsigned char BYTE;
typedef unsigned int WORD;
typedef unsigned long DWORD;sfr P0M1 = 0x93;
sfr P0M0 = 0x94;
sfr P1M1 = 0x91;
sfr P1M0 = 0x92;
sfr P2M1 = 0x95;
sfr P2M0 = 0x96;
sfr P3M1 = 0xb1;
sfr P3M0 = 0xb2;
sfr P4M1 = 0xb3;
sfr P4M0 = 0xb4;
sfr P5M1 = 0xC9;
sfr P5M0 = 0xCA;
sfr P6M1 = 0xCB;
sfr P6M0 = 0xCC;
sfr P7M1 = 0xE1;
sfr P7M0 = 0xE2;sfr P_SW1       = 0xA2;             //外设功能切换寄存器1#define CCP_S0 0x10                 //P_SW1.4
#define CCP_S1 0x20                 //P_SW1.5sfr CCON        =   0xD8;           //PCA控制寄存器
sbit CCF0       =   CCON^0;         //PCA模块0中断标志
sbit CCF1       =   CCON^1;         //PCA模块1中断标志
sbit CR         =   CCON^6;         //PCA定时器运行控制位
sbit CF         =   CCON^7;         //PCA定时器溢出标志
sfr CMOD        =   0xD9;           //PCA模式寄存器
sfr CL          =   0xE9;           //PCA定时器低字节
sfr CH          =   0xF9;           //PCA定时器高字节
sfr CCAPM0      =   0xDA;           //PCA模块0模式寄存器
sfr CCAP0L      =   0xEA;           //PCA模块0捕获寄存器 LOW
sfr CCAP0H      =   0xFA;           //PCA模块0捕获寄存器 HIGH
sfr CCAPM1      =   0xDB;           //PCA模块1模式寄存器
sfr CCAP1L      =   0xEB;           //PCA模块1捕获寄存器 LOW
sfr CCAP1H      =   0xFB;           //PCA模块1捕获寄存器 HIGH
sfr CCAPM2      =   0xDC;           //PCA模块2模式寄存器
sfr CCAP2L      =   0xEC;           //PCA模块2捕获寄存器 LOW
sfr CCAP2H      =   0xFC;           //PCA模块2捕获寄存器 HIGH
sfr PCA_PWM0    =   0xf2;           //PCA模块0的PWM寄存器
sfr PCA_PWM1    =   0xf3;           //PCA模块1的PWM寄存器
sfr PCA_PWM2    =   0xf4;           //PCA模块2的PWM寄存器BYTE cnt;                           //存储PCA计时溢出次数
DWORD count0;                       //记录上一次的捕获值
DWORD count1;                       //记录本次的捕获值
DWORD length;                       //存储信号的时间长度(count1 - count0)void main()
{P0M0 = 0x00;P0M1 = 0x00;P1M0 = 0x00;P1M1 = 0x00;P2M0 = 0x00;P2M1 = 0x00;P3M0 = 0x00;P3M1 = 0x00;P4M0 = 0x00;P4M1 = 0x00;P5M0 = 0x00;P5M1 = 0x00;P6M0 = 0x00;P6M1 = 0x00;P7M0 = 0x00;P7M1 = 0x00;ACC = P_SW1;ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1);      //CCP_S0=0 CCP_S1=0P_SW1 = ACC;                    //(P1.2/ECI, P1.1/CCP0, P1.0/CCP1, P3.7/CCP2)//  ACC = P_SW1;
//  ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1);      //CCP_S0=1 CCP_S1=0
//  ACC |= CCP_S0;                  //(P3.4/ECI_2, P3.5/CCP0_2, P3.6/CCP1_2, P3.7/CCP2_2)
//  P_SW1 = ACC;  
//  
//  ACC = P_SW1;
//  ACC &= ~(CCP_S0 | CCP_S1);      //CCP_S0=0 CCP_S1=1
//  ACC |= CCP_S1;                  //(P2.4/ECI_3, P2.5/CCP0_3, P2.6/CCP1_3, P2.7/CCP2_3)
//  P_SW1 = ACC;  CCON = 0;                       //初始化PCA控制寄存器//PCA定时器停止//清除CF标志//清除模块中断标志CL = 0;                         //复位PCA寄存器CH = 0;CCAP0L = 0;CCAP0H = 0;CMOD = 0x09;                    //设置PCA时钟源为系统时钟,且使能PCA计时溢出中断CCAPM0 = 0x21;                  //PCA模块0为16位捕获模式(上升沿捕获,可测从高电平开始的整个周期),且产生捕获中断
//  CCAPM0 = 0x11;                  //PCA模块0为16位捕获模式(下降沿捕获,可测从低电平开始的整个周期),且产生捕获中断
//  CCAPM0 = 0x31;                  //PCA模块0为16位捕获模式(上升沿/下降沿捕获,可测高电平或者低电平宽度),且产生捕获中断CR = 1;                         //PCA定时器开始工作EA = 1;cnt = 0;count0 = 0;count1 = 0;while (1);
}void PCA_isr() interrupt 7
{if (CCF0){CCF0 = 0;if (CF && ((CCAP0H & 0x80) == 0)){CF = 0;cnt++;}count0 = count1;            //备份上一次的捕获值((BYTE *)&count1)[3] = CCAP0L;  //保存本次的捕获值((BYTE *)&count1)[2] = CCAP0H;((BYTE *)&count1)[1] = cnt;((BYTE *)&count1)[0] = 0;length = count1 - count0;   //计算两次捕获的差值,即得到时间长度((BYTE *)&length)[0] = 0;}if (CF){CF = 0;cnt++;                      //PCA计时溢出次数+1}
}

超声波测量的参考代码

对上述范例程序进行改写，同时还须参照数据手册配置寄存器。
实际测试达到了270cm，与传感器的精度有关。

#include <STC15F2K60S2.H>
#include <intrins.h>#ifndef u8
#define u8 unsigned char
#endif#ifndef u16
#define u16 unsigned int
#endif#ifndef u32
#define u32 unsigned long
#endif//定义超声波模块引脚
sbit Trig = P1^0;	//发送端
sbit Echo = P1^1;	//接收端u8 code font[10]={0xc0,0xf9,0xa4,0xb0,0x99,0x92,0x82,0xf8,0x80,0x90};
u8 code y4=0x80,y5=0xa0,y6=0xc0,y7=0xe0;
u8 dis[8]={0xc7,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff,0xff};bit trig_sign=1,echo_sign=0,time_out_sign=0;
u16 trig_cnt=1000;
u16 len,len_t;void PCA_init();
void trig_len();
void echo_len();void dis_smg();
/********************延时函数********************/
void delay100us()		//@12.000MHz
{unsigned char i, j;i = 2;j = 39;do{while (--j);} while (--i);
}
void delay12us()		//@12.000MHz
{unsigned char i;_nop_();_nop_();i = 33;while (--i);
}
/********************初始化函数******************/
void PCA_init(){P_SW1 &= 0xcf;	//(P1.2/ECI, P1.1/CCP0, P1.0/CCP1, P3.7/CCP2)CCON = 0;       //初始化PCA控制寄存器//PCA定时器停止//清除溢出中断标志//清除捕获中断标志CL = 0;         //清零阵列寄存器CH = 0;CMOD = 0x01;    //设置PCA时钟源为SYSclk/12,允许溢出中断CCAPM0 = 0x10;  //PCA模块0为下降沿触发,关闭中断。
}void Timer0Init(void)		//1毫秒@12.000MHz
{AUXR &= 0x7F;			//定时器时钟12T模式TMOD &= 0xF0;			//设置定时器模式TL0 = 0x18;				//设置定时初值TH0 = 0xFC;				//设置定时初值TF0 = 0;				//清除中断标志TR0 = 1;				//定时器0开始计时ET0 = 1;				//使能定时器0中断
}
/****************中断处理函数********************/
void PCA_isr() interrupt 7		//PCA中断处理函数
{	//捕获成功if (CCF0){len_t = (CCAP0H<<8)|CCAP0L;		//保存本次的捕获值echo_sign = 1;CR = 0;							//PCA定时器停止工作CCAPM0 &= 0xfe;					//关闭中断}//超时else if (CF){time_out_sign = 1;CR = 0;							//PCA定时器停止工作CCAPM0 &= 0xfe;					//关闭中断}CCF0 = 0;							//清理中断标志CF = 0;
}void T0_isr() interrupt 1		//T0中断处理函数，每1000ms发射一次超声波
{if(--trig_cnt == 0) {trig_cnt = 1000;trig_sign = 1;}
}
/*********************主函数*********************/
void main() {Trig = 0;Timer0Init();PCA_init();	 EA = 1;while(1) {dis_smg();if(trig_sign) trig_len();if(echo_sign | time_out_sign) echo_len();}
}/*************************************************
*函数：trig_len()
*功能：发射超声波，开启PCA计时及中断
*************************************************/
void trig_len() {u8 i=8;//产生八个周期7kHz方波信号while(i--){Trig = 1;delay12us();Trig = 0;delay12us();}CL = 0;							//计时器清零CH = 0;CCF0 = 0;						//清标志(开启前必须清标志)CF = 0;CCAPM0 |= 0x01;					//开启中断CR = 1;							//PCA定时器开始工作trig_sign = 0;
}/*************************************************
*函数：echo_len()
*功能：计算距离，产生数码管字模
*************************************************/
void echo_len() {u8 i;if(echo_sign){//计算距离len=len_t *0.017 *10;	//保留1位小数//生成字模dis[3]=font[len/10000];dis[4]=font[len/1000%10];dis[5]=font[len/100%10];dis[6]=font[len/10%10]&0x7f;dis[7]=font[len%10];//消零for(i=3;dis[i]==font[0];i++) dis[i]=0xff;}else if(time_out_sign){//超时设置len=9999;dis[3]=font[9];dis[4]=font[9];dis[5]=font[9];dis[6]=font[9]&0x7f;dis[7]=font[9];}time_out_sign = 0;echo_sign = 0;
}/*************************************************
*函数：dis_smg()
*功能：数码管显示函数
*************************************************/
void dis_smg() {u8 i;for(i=0;i<8;i++){P2&=0x1f;P0=1<<i;P2|=y6;P2&=0x1f;P0=dis[i];P2|=y7;delay100us();P0=0xff;}
}