protues超聲波傳感器：HC-SR04超聲波模塊程序原理和Proteus ISIS仿真

一、原理介紹
遇到障礙物，能夠感應(yīng)做出反應(yīng)，超聲波可以作為一種測(cè)量手段，超聲波在固體液體氣體中傳播良好，氣體中速度約為340m/s。如果知道時(shí)間，那么就可以計(jì)算出距離。利用宏晶STC89C52計(jì)算超聲波模塊HC-SR04反饋信號(hào)高電平的時(shí)間，換算成距離顯示在數(shù)碼管上(這里用573和138組合的共陰極數(shù)碼管顯示電路)。
STC89C52是國產(chǎn)宏晶的一塊8位寄存器芯片，IO準(zhǔn)雙向口，可以輸入輸出，七個(gè)中斷源，六個(gè)中斷通道，有ISP系統(tǒng)，支持USB串口下載，8KB系統(tǒng)可編程下載Flash(程序儲(chǔ)存空間)，512BRAM(數(shù)據(jù)儲(chǔ)存空間)，27個(gè)特殊功能寄存器。
HC-SR04超聲波模塊，模塊四個(gè)引腳觸發(fā)信號(hào)Trig，回聲信號(hào)Echo，供電VCC和GND，測(cè)量周期60ms以上。當(dāng)給Trig一個(gè)10us以上的脈沖時(shí)，HC-SR04內(nèi)部自動(dòng)循環(huán)發(fā)出8個(gè)40KHz的脈沖，Echo剛收到回波時(shí)置一(超出一定范圍收到的信號(hào)不夠HC-SR04置一定時(shí)器不計(jì)數(shù))，單片機(jī)定時(shí)器開始計(jì)數(shù)，直到Echo沒有收到信號(hào)置零，記了TH+TL次機(jī)器周期，一個(gè)機(jī)器周期需要12個(gè)振蕩周期，由此時(shí)間就可以計(jì)算出來，再用時(shí)間X速度就可以計(jì)算出距離S。
數(shù)碼管有七段的，十四段的，十六段的，這里用的八位共陰極七段數(shù)碼管。共陰極數(shù)碼管就是共地，a,b,c,d,e,f,g,h對(duì)應(yīng)哪一段輸入高電平，哪一段LED亮，所以特定的組合可以顯示0~9數(shù)字，所以有共陰極段碼表，一組數(shù)組，顯示幾就對(duì)P0端口賦值對(duì)應(yīng)這個(gè)數(shù)值的下標(biāo)的數(shù)組元素。
HC-SR04收發(fā)信號(hào)，STC89C52計(jì)算結(jié)果，數(shù)碼管顯示，74HC573負(fù)責(zé)數(shù)碼管的段選，74LS138負(fù)責(zé)數(shù)碼管的位選。
二、仿真測(cè)試
完整的電路仿真圖如圖一所示，首先打開Protues ISIS新建一個(gè)空白文件，從庫中拾取元件，選擇IC芯片AT89C52，第一步取兩個(gè)20PF~33PF的電容一個(gè)晶振和個(gè)地信號(hào)組成晶振電路，第二步給P0口上拉一的330歐的排阻，第三步加入兩個(gè)四位共陰極(CC)七段數(shù)碼管，第四步加一個(gè)74HC573進(jìn)行段選，連接數(shù)碼管的段選引腳，第五步加入一個(gè)74LS138，三位地址線控制八位位選，連接上數(shù)碼管的位選位，第六步構(gòu)造一個(gè)HC-SR04超聲波傳感器模塊，并根據(jù)程序連好線，第七步加入一個(gè)信號(hào)源和一個(gè)示波器，方便模擬測(cè)試，電路連接完成。
圖一 仿真電路
激勵(lì)源連接在HC-SR04模塊的Echo腳上，進(jìn)行如圖二的設(shè)置。

圖二 激勵(lì)源設(shè)置
示波器分別接上HC-SR04的Trig和Echo腳，雙擊主控芯片，打開程序生成的hex文件，點(diǎn)擊運(yùn)行，得到如圖三的結(jié)果。

圖三 仿真結(jié)果
首先黃色線是Trig，放大看了下，如圖四。單位5us，由圖可見四格多，這個(gè)觸發(fā)信號(hào)高電平20幾u(yù)s，符合資料中Trig觸發(fā)信號(hào)高電平要保持10us以上。其次水平滾輪每20代表一格即一個(gè)單位，結(jié)合圖三和圖五，兩個(gè)發(fā)射信號(hào)水平滾輪數(shù)間隔左右，800格左右，單位為1ms，即800ms，符合程序中發(fā)射間隔800ms。最后數(shù)碼管顯示34，給Echo的方波200hz，占空比40%，即高電平2ms，12M晶振的單片機(jī)一個(gè)機(jī)器周期1us，定時(shí)器需要計(jì)數(shù)2000次，所以TH+TL=2000，根據(jù)公式S=(Th+TL)X1.7/100=34cm。綜上所述，仿真程序設(shè)計(jì)沒有問題。
圖四 觸發(fā)信號(hào)保持時(shí)間
圖五 觸發(fā)信號(hào)間隔時(shí)間
三、程序設(shè)計(jì)
 ? ?
#include "reg51.h"
#include

//常變量定義:
code unsigned char table[]=
{0x3f,0x06,0x5b,0x4f,0x66,0x6d,0x7d,0x07,0x7f,0x6f};
//表：共陰數(shù)碼管 0-9 -
unsigned int ?time=0;
unsigned int ?timer=0;
unsigned long S=0;
bit flag =0;
unsigned char l_disbuff[4]={ 0,0,0,0};//顯示緩沖
unsigned char l_posit=1; //位選擇
//引腳定義:
//sbit SMG_q = P2^2; //定義數(shù)碼管陽級(jí)控制腳（千位）本例程只用到三位數(shù)碼管
sbit SMG_b = P2^2; //定義數(shù)碼管陽級(jí)控制腳（百位）
sbit SMG_s = P2^3; //定義數(shù)碼管陽級(jí)控制腳（十位）
sbit SMG_g = P2^4; //定義數(shù)碼管陽級(jí)控制腳（個(gè)位）
sbit RX = P2^1; //模塊引腳
sbit TX = P2^0;
//顯示函數(shù)，參數(shù)為顯示內(nèi)容
void display()
{
P0=0x00; //
switch(l_posit){
case 0: //選擇千位數(shù)碼管，關(guān)閉其它位
//SMG_q=0;
SMG_b=1;
SMG_s=1;
SMG_g=1;
P0=table[l_disbuff[0]];
break;
case 1: //選擇百位數(shù)碼管，關(guān)閉其它位
//SMG_q=1;
SMG_b=0;
SMG_s=1;
SMG_g=1;
P0=table[l_disbuff[1]];//加入小數(shù)點(diǎn)要與一下
break;
case 2: //選擇十位數(shù)碼管，關(guān)閉其它位
//SMG_q=1;
SMG_b=1;
SMG_s=0;
SMG_g=1;
P0=table[l_disbuff[2]];
break;
case 3: //選擇個(gè)位數(shù)碼管，關(guān)閉其它位
//SMG_q=1;
SMG_b=0;
SMG_s=0;
SMG_g=1;
P0=table[l_disbuff[3]];
break;
}
l_posit++;
if(l_posit>3)
l_posit=0;

}
void Count(void)
{
 time=TH0*256+TL0;
 TH0=0;
 TL0=0;

S=(time*1.7)/100; ? ? //算出來是CM
 if((S>=700)||flag==1) //超出測(cè)量范圍顯示“-”
 { ?
 ?flag=0;
 ?l_disbuff[1]=10;  ? //“-”
 ?l_disbuff[2]=10;  ? //“-”
 ?l_disbuff[3]=10;  ? //“-”
 }
 else
 {
 ?l_disbuff[1]=S%1000/100;
 ?l_disbuff[2]=S%1000%100/10;
 ?l_disbuff[3]=S%1000%10 %10;
 }
}
void zd0() interrupt 1  //T0中斷用來計(jì)數(shù)器溢出,超過測(cè)距范圍
{
? ? flag=1; //中斷溢出標(biāo)志
}
void ?zd3() ?interrupt 3  //T1中斷用來掃描數(shù)碼管和計(jì)800MS啟動(dòng)模塊
{
 TH1=0xf8;
 TL1=0x30;
 display();
 timer++;
 if(timer>=400)
 {
 ?timer=0;
 ?TX=1;  ? ? ? ?//800MS ?啟動(dòng)一次模塊
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();?
 ?_nop_();
 ?TX=0;
 }?
}
void ?main( ?void ?)
{ ?
? ? TMOD=0x11;  ? //設(shè)T0，T1為方式1
TH0=0;
TL0=0; ? ? ? ? ?
TH1=0xf8;  ? //2MS定時(shí)
TL1=0x30;
ET0=1; ? ? ? ? ? ? //允許T0中斷
ET1=1;  ? //允許T1中斷
TR1=1;  ? //開啟定時(shí)器
EA=1;  ? //開啟總中斷
while(1)
{
 while(!RX); //當(dāng)RX為零時(shí)等待
 TR0=1;  ? ?//開啟計(jì)數(shù)
 while(RX); //當(dāng)RX為1計(jì)數(shù)并等待
 TR0=0; //關(guān)閉計(jì)數(shù)
? ? ?Count(); //計(jì)算
}
}
? ? ? ? ? ? ?
四、實(shí)物測(cè)試

protues超聲波傳感器：HC-SRF04超聲波測(cè)距傳感器+Proteus仿真（附源碼與仿真電路）

一、模塊介紹

1.1 模塊圖示

模塊共有四個(gè)引腳，分別是Vcc（供5V電源）、Trig(控制端，下文簡稱Tr)、Echo（接收端，下文簡稱Ec）、Gnd（地線）

2.2 產(chǎn)品參數(shù)

?

二、 工作原理（時(shí)序）

在初始狀態(tài)時(shí)，Tr引腳電平由單片機(jī)拉高，Ec引腳電平由傳感器拉低。工作時(shí)，首先由單片機(jī)將Tr引腳拉低后再給一個(gè)高電平脈沖（持續(xù)時(shí)間至少為10us），傳感器收到該脈沖信號(hào)后開始向外發(fā)射8個(gè)40KHz的方波即用來測(cè)距的超聲波。該測(cè)距超聲波以聲速（340m/s）向前傳播，在遇到障礙物時(shí)，該超聲波被反彈向回傳播，因此最終能夠被傳感器接收到，傳感器會(huì)記錄從發(fā)射超聲波到接收到超聲波的所經(jīng)歷的時(shí)間t。傳感器在收到返回的信號(hào)后，由Ec引腳輸出一個(gè)與t相同時(shí)間的高電平脈沖。此時(shí)，我們只需要通過單片機(jī)內(nèi)部定時(shí)/計(jì)數(shù)器記錄Ec引腳高電平脈沖時(shí)間即可得超聲波的傳播時(shí)間t。因此可算出傳感器到障礙物間的距離=340*(t/2)? ?(因?yàn)閠是超聲波一來一回經(jīng)歷的時(shí)間，所以單程時(shí)間要除以2）。

?

三、例程（例程均為自己編寫且仿真通過）

單片機(jī)為AT89C52，工作頻率為12Mhz，最終結(jié)果通過八段數(shù)碼管顯示。

注意：因?yàn)?2MHz的單片機(jī)的機(jī)器周期為1us，即計(jì)數(shù)值就等于以u(píng)s為單位的時(shí)間值，因此計(jì)算公式 可以寫為? 時(shí)間=TH0*256+TL0；但如果使用的單片機(jī)工作頻率為11.0592MHz，其機(jī)器周期為1.085us，因此時(shí)間計(jì)算公式需寫為? 時(shí)間=（TH0*256+TL0）*1.085

?

四、仿真電路

?

左肩理想右肩擔(dān)當(dāng)，君子不怨永遠(yuǎn)不會(huì)停下腳步！

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protues超聲波傳感器：Proteus超聲波測(cè)距仿真電路圖+單片機(jī)源程序

大多數(shù)人感覺超聲波測(cè)距proteus仿真是無法實(shí)現(xiàn)的，雖然proteus自帶的庫有GUR03和SRF04兩種模型，但是卻與實(shí)際傳感器使用方法相差甚遠(yuǎn)，即使求助度娘也很難找到簡單易懂的教程。
gur03和srf04.png (8.23 KB, 下載次數(shù): 61)
下載附件
2020-3-31 23:52 上傳
之前很多人想做超聲波測(cè)距仿真但都沒有找到很好的辦法去實(shí)現(xiàn)，在軟件里沒有這樣的元件，有人用一個(gè)按鍵開關(guān)去模擬仿真，這樣仿真出來的效果，非常不好。還有人用555時(shí)基電路產(chǎn)生一個(gè)延時(shí)信號(hào)（555電路作為超聲波仿真的內(nèi)部元件），來模擬超聲波頭發(fā)送后遇到回波返射回來的這階段時(shí)間，來對(duì)單片機(jī)超聲波測(cè)距單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行模擬，能完成對(duì)超聲波測(cè)距模塊大致仿真，但需要繁雜的設(shè)計(jì)。
下面是一個(gè)超聲波測(cè)距模塊的proteus模型，能直接用于proteus仿真，且使用方法與實(shí)際傳感器幾乎一致，模型如下圖。樓主千辛萬苦終于完成了仿真，分享交流一下，請(qǐng)大家不嗇賜教！
ULTRASonIC SENSOR.png (23.56 KB, 下載次數(shù): 82)
下載附件
2020-3-31 23:56 上傳
（library文件見附件）
下面是仿真效果：
simulation.png (157.85 KB, 下載次數(shù): 77)
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2020-4-1 00:06 上傳
單片機(jī)程序代碼：#include

//生成20us的脈沖寬度的觸發(fā)信號(hào)
Trig=1;
Delay20us();
Trig=0;
//等待回響信號(hào)變高電平
while(!Echo);
TR0=1;                //啟動(dòng)定時(shí)器0
//等待回響信號(hào)變低電平
while(Echo);
TR0=0;                //關(guān)閉定時(shí)器0
//返回距離值(mm)
return (SPEEDSOUND*(TH0*256.0+TL0))/2000;
}
//HCSR04初始化
void HCSR04_Initialize()
{
SPEEDSOUND=334.1+25*0.61;
Trig=0;
Echo=0;
TMOD=0x01;
}
//測(cè)距的數(shù)值排序求平均
float DistanceStatistics()
{
uchar i;
float disData;
for(i=0;i<7;i++)          //連續(xù)測(cè)距        {                disData+=MeasuringDistance();                        delay(1);                }        return disData/7.0; } void main() {        LcdInitiate();//1602初始化        HCSR04_Initialize();//HC-SR04初始化        while(1)        {                Distancevalue=DistanceStatistics()        ;                display_val((int)Distancevalue,0x45);//顯示距離值                delay(1000);                LEDRed=~LEDRed;                //測(cè)距系統(tǒng)工作指示燈                        } } 復(fù)制代碼 全部文件已打包，請(qǐng)自行下載(2個(gè)文件內(nèi)容一樣,推薦下載7z的)： 7z: 7z壓縮版.7z (96.58 KB, 下載次數(shù): 124) 2021-4-28 19:46 上傳 點(diǎn)擊文件名下載附件 下載積分: 黑幣 -5 winrar: 超聲波測(cè)距（仿真原理圖+源程序）.rar (102.08 KB, 下載次數(shù): 1048) 2021-5-17 18:03 上傳 點(diǎn)擊文件名下載附件 下載積分: 黑幣 -5

protues超聲波傳感器：Proteus超聲波測(cè)距仿真電路圖+單片機(jī)源程序_1

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