本篇文章是个人整理的包含超声波测距模块HC-SR04的基本介绍与基本工作原理以及分别通过LCD1602、数码管和串口显示距离的实例讲解与代码的笔记，部分内容来自《HC-SR04超声波测距模块说明书》，代码使用模块化编辑，部分模块来自江科大自化协的51单片机教学视频。
希望大家早日掌握单片机。

文章目录

• • 一、基本介绍
  • 二、基本工作原理
  • 三、时序图
  • 四、实例
  • • （1）最终效果
    • （2）思路
    • • Ⅰ、LCD1602显示
      • Ⅱ、数码管显示
      • Ⅲ、串行通信显示
    • （3）代码实现
    • • Ⅰ、LCD1602显示
      • • ①HCSR04.c
        • ②Timer0.c
        • ③main.c
      • Ⅱ、数码管显示
      • • ①Nixie.c
        • ②Timer1.c
        • ③HCSR04.c
        • ④main.c
      • Ⅲ、串行通信显示
      • • ①HCSR04.c
        • ②UART.c
        • ③main.c

一、基本介绍

​ 超声波测距模块是根据超声波遇障碍反射的原理进行测距的，能够发送超声波、接收超声波并通过处理，输出一段和发送与接收间隔时间相同的高电平信号，是常用的测距模块之一。HC-SR04是最常用的超声波测距模块之一，HC-SR04超声波模块可提供2cm~400cm的非接触式距离感测功能，测距精度可达3mm，工作电压为5V；内部模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。如下为实物与对应端口图：

• Vcc：+5V电源供电；
• Trig：输入触发信号（可以触发测距）；
• Echo：传出信号回响（可以传回时间差）；
• GND：接地。

二、基本工作原理

（1）采用I/O口连接Trig触发测距，给最少10us的高电平后即可发送超声波；

（2）模块自动发送8个40kHz的方波，并自动检测是否有信号返回；

（3）若有信号返回，经内部电路处理后，通过Echo到I/O口输入一个高电平，高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间；

（4）测试距离=（高电平时间*音速）/2；音速=340m/s=0.034cm/us。

三、时序图

​ 以上时序图表明你只需要向模块提供一个10us以上的脉冲触发信号，然后该模块内部将发出8个40kHz周期电平并检测回波，一旦检测到有回波信号，模块就向I/O口输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比，由此通过回响信号的高电平时间计算得到距离。建议先将单位转换为cm/us，便于数据显示；测量周期为60ms以上，以防止发射信号对回响信号的影响。

• 此模块不宜带电连接，若要带电连接，则先让模块的GND端先连接，否则会影响模块的正常工作；
• 测距时，被测物体的面积不少于0.5平方米且平面尽量要求平整，否则会影响测量的结果。

四、实例

（1）最终效果

• 实现超声波测距，并将数据分别显示在LCD1602、数码管和串行通信上。

（2）思路

​ 先将端口初始化（置0），再通过Trig输入一个12us的高电平作为触发信号，最后接收回响信号，回响信号高电平的时间通过定时器0测量——当Echo为1时开始计时，Echo为0时结束计时，不需要打开中断。得到时间后根据公式：测试距离=（高电平时间*音速）/2；音速=340m/s=0.034cm/us，计算出实际距离。

Ⅰ、LCD1602显示

​ 调用LCD1602函数进行显示：

• 注意：连接LCD1602的端口包括P0和P2，连接超声波模块时注意引脚不能冲突。

Ⅱ、数码管显示

​ 调用数码管函数进行显示，使用定时器扫描数码管。

Ⅲ、串行通信显示

• 打开定时器1，配置串行通信，波特率为9600；
• 将距离数据通过串口发送到电脑，将发送中断请求标志位TI置1，使计算机不断接收数据；
• 调用stdio.h中的printf函数可以通过串口在电脑上打印数据。

（3）代码实现

Ⅰ、LCD1602显示

①HCSR04.c

#include <REGX52.H>
#include "Timer0.h"

//定义引脚接口
sbit Trig = P1^0;
sbit Echo = P1^1;

/**
  * @brief  HC-SR04初始化
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Init()
{
	Timer0_Init();
	Trig = 0;
	Echo = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04接收一个12us的触发信号
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Trig()
{
	unsigned char i;
	Trig = 1;
	i = 5;while (--i);		//延时12us
	Trig = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Set()
{
	HCSR04_Trig();
	while(!Echo);
	TR0 = 1;
	while(Echo);
	TR0 = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04计算模块与障碍间的距离
  * @param  Duration(持续时间)	发送到接收的间隔时间
  * @param  Distance  模块与障碍间的距离
  * @retval Distance
  */
float HCSR04_Calc()
{
	unsigned int Duration = 0;
	float Distance = 0;
	
	Duration = TH0*256+TL0;
	Distance = Duration*0.017;//时间*音速/2，音速=340m/s=0.034cm/us
	TH0 = 0;
	TL0 = 0;
	
	return Distance;
}

②Timer0.c

#include <REGX52.H>

/**
  * @brief  定时器0初始化@11.0592MHz
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void Timer0_Init()      //@11.0592MHz
{
	TMOD &= 0xF0;		//设置定时器模式
	TMOD |= 0x01;		//设置定时器模式
	TH0 = 0;			//设置定时初值
	TL0 = 0;			//设置定时初值
	TF0 = 0;			//清除TF0标志
	TR0 = 0;			//定时器0不计时
}

③main.c

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "HCSR04.h"
#include "LCD1602.h"

unsigned int Distance;

void main()
{
	LCD_Init();						//LCD1602初始化
	HCSR04_Init();					//HC-SR04初始化
	LCD_ShowString(1,1,"Distance:");
	LCD_ShowString(2,4,"cm");
	while(1)
	{
		HCSR04_Set();				//HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
		Distance = HCSR04_Calc();	//计算距离
		LCD_ShowNum(2,1,Distance,3);//调用显示
		Delay(20);
	}
}

Ⅱ、数码管显示

①Nixie.c

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"

//数码管显示缓存区
unsigned char Nixie_Buf[9]={0,10,10,10,10,10,10,10,10};

//数码管段码表
unsigned char NixieTable[]={0x3F,0x06,0x5B,0x4F,0x66,0x6D,0x7D,0x07,0x7F,0x6F,0x00,0x40};

/**
  * @brief  设置显示缓存区
  * @param  Location 要设置的位置，范围：1~8
  * @param  Number 要设置的数字，范围：段码表索引范围
  * @retval 无
  */
void Nixie_SetBuf(unsigned char Location,Number)
{
	Nixie_Buf[Location]=Number;
}

/**
  * @brief  数码管扫描显示
  * @param  Location 要显示的位置，范围：1~8
  * @param  Number 要显示的数字，范围：段码表索引范围
  * @retval 无
  */
void Nixie_Scan(unsigned char Location,Number)
{
	P0=0x00;				//段码清0，消影
	switch(Location)		//位码输出
	{
		case 1:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=1;break;
		case 2:P2_4=1;P2_3=1;P2_2=0;break;
		case 3:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=1;break;
		case 4:P2_4=1;P2_3=0;P2_2=0;break;
		case 5:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=1;break;
		case 6:P2_4=0;P2_3=1;P2_2=0;break;
		case 7:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=1;break;
		case 8:P2_4=0;P2_3=0;P2_2=0;break;
	}
	P0=NixieTable[Number];	//段码输出
}

/**
  * @brief  数码管驱动函数，在中断中调用
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void Nixie_Loop(void)
{
	static unsigned char i=1;
	Nixie_Scan(i,Nixie_Buf[i]);
	i++;
	if(i>=9){i=1;}
}

• 使用定时器扫描数码管的好处是，在函数循环中调用数码管显示时，不会受到延时函数的影响导致数码管动态显示延时时间延长。

②Timer1.c

#include <REGX52.H>

/**
  * @brief  定时器1初始化，1ms@11.0592MHz
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void Timer1_Init(void)
{
	TMOD &= 0x0F;		//设置定时器模式
	TMOD |= 0x10;		//设置定时器模式
	TL1 = 0x65;		//设置定时初值
	TH1 = 0xFC;		//设置定时初值
	TF1 = 0;		//清除TF1标志
	TR1 = 1;		//定时器1开始计时
	ET1=1;
	EA=1;
	PT1=0;
}

/*定时器中断函数模板
void Timer1_Routine() interrupt 3
{
	static unsigned int T1Count;
	TL1 = 0x65;		//设置定时初值
	TH1 = 0xFC;		//设置定时初值
	T1Count++;
	if(T1Count>=1000)
	{
		T1Count=0;
		
	}
}
*/

③HCSR04.c

#include <REGX52.H>
#include "Timer0.h"

//定义引脚接口
sbit Trig = P1^0;
sbit Echo = P1^1;

/**
  * @brief  HC-SR04初始化
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Init()
{
	Timer0_Init();
	Trig = 0;
	Echo = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04接收一个12us的触发信号
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Trig()
{
	unsigned char i;
	Trig = 1;
	i = 5;while (--i);		//延时12us
	Trig = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Set()
{
	HCSR04_Trig();
	while(!Echo);
	TR0 = 1;
	while(Echo);
	TR0 = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04计算模块与障碍间的距离
  * @param  Duration(持续时间)	发送到接收的间隔时间
  * @param  Distance  模块与障碍间的距离
  * @retval Distance
  */
unsigned int HCSR04_Calc()
{
	unsigned int Distance,Duration;
	
	Duration = TH0*256+TL0;
	Distance = Duration*0.017;//时间*音速/2，音速=340m/s=0.034cm/us
	TH0 = 0;
	TL0 = 0;
	
	return Distance;
}

④main.c

#include <REGX52.H>
#include "Delay.h"
#include "HCSR04.h"
#include "Nixie.h"
#include "Timer1.h"

unsigned int Distance;

void main()
{
	HCSR04_Init();						//HC-SR04初始化
	Timer1_Init();						//定时器1初始化
	while(1)
	{
		HCSR04_Set();					//HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
		Distance = HCSR04_Calc();		//计算距离
		Nixie_SetBuf(1,Distance/100);
		Nixie_SetBuf(2,Distance%100/10);
		Nixie_SetBuf(3,Distance%100%10);//调用显示
		Delay(50);
	}
}

void Timer1_Routine() interrupt 3
{
	static unsigned int T1Count1;
	TL1 = 0x65;		//设置定时初值
	TH1 = 0xFC;		//设置定时初值
	T1Count1++;
	if(T1Count1>=2)
	{
		T1Count1=0;
		Nixie_Loop();//2ms调用一次数码管驱动函数
	}
}

Ⅲ、串行通信显示

①HCSR04.c

#include <REGX52.H>
#include "Timer0.h"

//定义引脚接口
sbit Trig = P1^0;
sbit Echo = P1^1;

/**
  * @brief  HC-SR04初始化
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Init()
{
	Timer0_Init();
	Trig = 0;
	Echo = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04接收一个12us的触发信号
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Trig()
{
	unsigned char i;
	Trig = 1;
	i = 5;while (--i);		//延时12us
	Trig = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void HCSR04_Set()
{
	HCSR04_Trig();
	while(!Echo);
	TR0 = 1;
	while(Echo);
	TR0 = 0;
}

/**
  * @brief  HC-SR04计算模块与障碍间的距离
  * @param  Duration(持续时间)	发送到接收的间隔时间
  * @param  Distance  模块与障碍间的距离
  * @retval Distance
  */
float HCSR04_Calc()
{
	unsigned int Duration = 0;
	float Distance = 0;
	
	Duration = TH0*256+TL0;
	Distance = Duration*0.017;//时间*音速/2，音速=340m/s=0.034cm/us
	TH0 = 0;
	TL0 = 0;
	
	return Distance;
}

②UART.c

#include <REGX52.H>

/**
  * @brief  串口初始化，9600bps@12.000MHz
  * @param  无
  * @retval 无
  */
void UART_Init()
{
	//设定定时器0和定时器1的工作模式
	TMOD = 0x21;	
	//设置定时器0用于计时
	TH0 = 0;
	TL0 = 0;		//设定定时器0重装初值
	TF0 = 0;		//清除TF1标志
	TR0 = 0;		//停止定时器0
	
	//设置定时器1用于串口波特率
	SCON = 0x40;	//设定串行口工作方式1
	PCON = 0x00;	//波特率不翻倍
	TH1 = 0xFD;		
	TL1 = 0xFD;		//设定定时器1重装初值,波特率为9600
	ET1 = 0;		//禁止定时器1中断
	TR1 = 1;		//启动定时器1
	TI = 1;			//将发送中断请求标志位置1，使计算机不断接收数据
}

③main.c

#include <REGX52.H>
#include <stdio.h>
#include "Delay.h"
#include "HCSR04.h"
#include "UART.h"
  
float Distance;
 
void main()
{
	UART_Init();				  //串行口初始化
	while(1)
	{
		HCSR04_Set();			  //HC-SR04接收触发信号并计算回波信号高电平时间
		Distance = HCSR04_Calc(); //计算模块与障碍间的距离
		printf("--.---cm\n"); 	  //在串口上打印分割线
		printf("Distance=%.3f cm\n",Distance); //在串行口上打印距离数据
		Delay(200);				  //延时200ms
	}
}