蓝桥杯单片机学习笔记（九）——超声波测距与NE555频率测量

温馨提示：内容源自米醋电子工作室培训课，由本人总结

一、超声波测距模块：单片机的"电子眼"

超声波测距就像蝙蝠的回声定位系统——发出声波，等待回声，通过时间差计算距离。在蓝桥杯竞赛中，官方资源包并未提供超声波底层驱动，需要我们自己编写。

1.1 硬件连接与引脚定义

查阅官方原理图后，定义超声波模块的两个关键引脚：

sbit Tx = P1^0;  // 发射端（Transmitter）
sbit Rx = P1^1;  // 接收端（Receiver）

引脚功能说明

• Tx（发射端）：发送超声波信号，像是"喇叭"
• Rx（接收端）：接收回波信号，像是"麦克风"

1.2 测距原理：声波的往返旅程

超声波测距的核心原理是时间差测距法，就像你在山谷中喊话，通过回声返回的时间判断距离。

1.2.1 物理公式推导

基本公式

距离 = 速度 × 时间 ÷ 2

为什么要除以2？

• 超声波需要"去"和"回"两段路程
• 测量的时间是往返总时间
• 实际距离只是单程

代入声速计算

• 声速：v = 340 m/s = 34000 cm/s
• 距离公式：d = v × t ÷ 2
• 简化结果：d = 34000 × t ÷ 2 = 17000 × t (cm)
• 最终公式：d = 0.017 × t (cm)

其中t的单位是微秒（μs）

1.2.2 测距流程图解

[发射8个40kHz方波] → [等待回波] → [计算时间差] → [转换为距离]
       ↓                    ↓              ↓              ↓
    Tx引脚输出          Rx引脚检测      PCA定时器      d=0.017×t

1.3 超声波信号发射

1.3.1 为什么是40kHz？

超声波模块的谐振频率是40kHz，就像音叉有固定的振动频率，只有这个频率才能让模块高效工作。

40kHz方波参数计算

• 频率：f = 40kHz = 40000Hz
• 周期：T = 1/f = 1/40000 = 25μs
• 半周期：T/2 = 12.5μs ≈ 12μs

方波时序图

Tx引脚电平：
    ___     ___     ___     ___
___|   |___|   |___|   |___|   |___
   12μs 12μs (重复8次)

1.3.2 延时函数生成

使用STC-ISP软件生成精确的12μs延时函数：

配置参数

• 系统频率：12MHz
• 指令集：Y1/STC89
• 延时时间：12μs

生成代码

void Delay12us(void)  // @12.000MHz
{
    unsigned char data i;
    _nop_();
    i = 3;
    while (--i);
}

代码说明

• _nop_()：空操作指令，精确延时
• i = 3：循环3次，配合空操作达到12μs
• data关键字：将变量存储在data区，提高访问速度

1.3.3 超声波发射函数

// 超声波初始化函数：发射8个40kHz方波
void Ut_Wave_Init()
{
    unsigned char i;
    
    EA = 0;  // 关闭全局中断，防止时序被打断
    
    // 发射8个完整的方波周期
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        Tx = 1;         // 拉高电平
        Delay12us();    // 保持12μs
        Tx = 0;         // 拉低电平
        Delay12us();    // 保持12μs
    }
    
    EA = 1;  // 恢复全局中断c
}

为什么发射8个方波？

• 1个方波能量太弱，接收端可能检测不到
• 8个方波形成"脉冲串"，增强信号强度
• 就像敲门要敲几下才能让人听见

为什么要关闭中断？

• 40kHz方波时序要求极其精确
• 中断会打断延时，导致频率偏移
• 就像演奏乐器时不能被打断，否则节奏会乱

1.4 超声波接收与距离计算

1.4.1 为什么使用PCA定时器？

在蓝桥杯竞赛中，定时器资源非常紧张：

定时器占用情况

• 定时器0：被NE555强制占用（频率测量）
• 定时器1：串口通信占用（如果考到串口）
• 定时器2：函数轮询和系统时基
• PCA定时器：独立的可编程计数器阵列，可用于超声波

PCA定时器优势

• 独立于传统定时器，不冲突
• 16位计数范围，精度高
• 可以测量脉冲宽度

1.4.2 PCA定时器寄存器说明

CMOD = 0x00;  // PCA计数器模式寄存器
              // 0x00：使用系统时钟/12作为计数时钟
              
CH = 0;       // PCA计数器高8位
CL = 0;       // PCA计数器低8位

CR = 1;       // PCA计数器运行控制位
              // 1：启动计数  0：停止计数

CF = 0;       // PCA计数器溢出标志
              // 1：计数溢出  0：未溢出

计数时钟计算

• 系统时钟：12MHz
• PCA时钟：12MHz ÷ 12 = 1MHz
• 计数周期：1/1MHz = 1μs
• 即：每计数1次 = 1μs

1.4.3 距离测量函数详解

// 超声波数据获取函数：返回测量距离（单位：cm）
unsigned char Ut_Wave_Data()
{
    unsigned int time;  // 存储往返时间（μs）
    
    // 步骤1：初始化PCA定时器
    CMOD = 0x00;        // 设置PCA工作模式
    CH = CL = 0;        // 清零计数器
    
    // 步骤2：发射超声波
    Ut_Wave_Init();
    
    // 步骤3：启动计时
    CR = 1;
    
    // 步骤4：等待回波或超时
    // Rx == 1：未接收到回波（接收端空闲为高电平）
    // CF == 0：计数器未溢出（未超时）
    while(Rx == 1 && CF == 0);
    
    // 步骤5：停止计时
    CR = 0;
    
    // 步骤6：判断是否成功接收
    if(CF == 0)  // 未溢出，说明接收到回波
    {
        // 读取计数值（往返时间）
        time = (CH << 8) | CL;  // 合并高低8位
        
        // 转换为距离：d = 0.017 × t
        return (time * 0.017);
    }
    else  // 溢出，说明超出测量范围
    {
        CF = 0;  // 清除溢出标志
        return 0;  // 返回0表示测量失败
    }
}

代码关键点解析

1. 时间合并操作

time = (CH << 8) | CL;

• CH << 8：将高8位左移8位
• | CL：与低8位进行或运算
• 例如：CH=0x12, CL=0x34 → time=0x1234

2. 等待条件判断

while(Rx == 1 && CF == 0);

• 两个条件同时满足才继续等待
• 任一条件不满足就跳出循环
• 就像等人：人没来且没超时就继续等

3. 距离计算

return (time * 0.017);

• time单位是μs
• 0.017是声速换算系数
• 结果单位是cm

1.4.4 测量范围与精度

理论测量范围

• PCA计数器：16位 = 65535
• 最大时间：65535μs ≈ 65.5ms
• 最大距离：65535 × 0.017 ≈ 1114cm ≈ 11m

实际测量范围

• 有效范围：2cm ~ 400cm
• 小于2cm：盲区，回波与发射重叠
• 大于400cm：信号衰减严重，难以接收

测量精度

• 时间精度：1μs
• 距离精度：0.017cm ≈ 0.17mm
• 实际精度：约±1cm（受环境影响）

1.5 完整驱动代码

1.5.1 ultrasound.h 头文件

#ifndef __ULTRASOUND_H__
#define __ULTRASOUND_H__

#include <STC15F2K60S2.H>

// 对外接口函数
unsigned char Ut_Wave_Data(void);  // 获取超声波测距数据（单位：cm）

#endif

1.5.2 ultrasound.c 源文件

/*  超声波测距驱动代码
    适用于蓝桥杯单片机竞赛
    测量范围：2cm ~ 400cm
    测量精度：±1cm
*/

#include "ultrasound.h"
#include <intrins.h>

// 引脚定义
sbit Tx = P1^0;  // 发射端
sbit Rx = P1^1;  // 接收端

// 12μs精确延时函数
void Delay12us(void)  // @12.000MHz
{
    unsigned char data i;
    _nop_();
    i = 3;
    while (--i);
}

// 超声波发射函数：发射8个40kHz方波
void Ut_Wave_Init(void)
{
    unsigned char i;
    
    EA = 0;  // 关闭全局中断
    
    for(i = 0; i < 8; i++)
    {
        Tx = 1;
        Delay12us();
        Tx = 0;
        Delay12us();
    }
    
    EA = 1;  // 恢复全局中断
}

// 超声波数据获取函数：返回测量距离（单位：cm）
unsigned char Ut_Wave_Data(void)
{
    unsigned int time;
    
    // 初始化PCA定时器
    CMOD = 0x00;
    CH = CL = 0;
    
    // 发射超声波
    Ut_Wave_Init();
    
    // 启动计时
    CR = 1;
    
    // 等待回波或超时
    while(Rx == 1 && CF == 0);
    
    // 停止计时
    CR = 0;
    
    // 判断是否接收到回波
    if(CF == 0)
    {
        time = (CH << 8) | CL;
        return (time * 0.017);
    }
    else
    {
        CF = 0;
        return 0;
    }
}

1.6 使用示例

#include "ultrasound.h"

void main(void)
{
    unsigned char distance;
    
    while(1)
    {
        // 获取距离数据
        distance = Ut_Wave_Data();
        
        // 判断测量是否有效
        if(distance > 0)
        {
            // 显示距离
            Display_Distance(distance);
        }
        else
        {
            // 显示错误信息
            Display_Error();
        }
        
        Delay_ms(100);  // 每100ms测量一次
    }
}

使用注意事项

1. 测量频率不宜过高，建议间隔100ms以上
2. 测量时避免障碍物倾斜角度过大
3. 软质材料（如海绵）会吸收超声波，影响测量
4. 测量距离为0时表示测量失败或超出范围

---

二、NE555频率测量：单片机的"频率计"

NE555是一款经典的定时器芯片，在蓝桥杯中用于产生可调频率的方波信号。我们需要用单片机测量这个频率，就像用频率计测量信号频率一样。

2.1 硬件连接与引脚冲突

2.1.1 引脚共用问题

重要提示：NE555的输出信号连接到P3.4引脚，这个引脚与独立按键S4共用！

引脚冲突示意图

P3.4 ─┬─ NE555信号输入（SIGNAL）
      │
      └─ 独立按键S4

解决方案

• 如果题目考到NE555频率测量，必须屏蔽S4按键功能
• 在按键扫描函数中，跳过P3.4的检测
• 或者直接不使用S4按键

2.1.2 硬件跳线连接

关键操作：在开发板上，必须用跳线帽连接P34和SIGNAL两个引脚！

[P34] ←→ [SIGNAL]  (用跳线帽短接)

忘记连接的后果

• 无法测量到频率
• 测量值始终为0
• 这是最常见的硬件错误

2.2 频率测量原理

2.2.1 测频原理：数脉冲

频率测量的本质是在固定时间内计数脉冲个数，就像数1秒钟内心跳了多少次。

测频公式

频率 = 脉冲个数 / 时间

实现方法

• 使用定时器0的计数模式
• 每来一个脉冲，计数器加1
• 每隔1秒读取一次计数值
• 读取后清零，重新计数

2.2.2 定时器0的两种模式

定时模式（Timer Mode）

• 计数内部时钟脉冲
• 用于产生精确延时
• 我们之前一直在用

计数模式（Counter Mode）

• 计数外部引脚（T0，即P3.4）的脉冲
• 用于频率测量
• NE555测量需要用这个模式

2.3 定时器0配置

2.3.1 TMOD寄存器配置

TMOD |= 0x05;

TMOD寄存器位定义

TMOD = 0x05 = 0000 0101
              ││││ ││││
              ││││ │││└─ M0 = 1 ┐
              ││││ ││└── M1 = 0 ┴─ 模式1（16位）
              ││││ │└─── C/T = 1 ─── 计数模式
              ││││ └──── GATE = 0 ── 不使用门控
              ││││
              │││└────── M0 = 0 ┐
              ││└─────── M1 = 0 ┴─ 定时器1配置
              │└──────── C/T = 0
              └───────── GATE = 0

关键位说明

• C/T = 1：选择计数模式（Counter）
• M1M0 = 01：16位计数器模式
• GATE = 0：不使用门控功能

2.3.2 完整初始化代码

使用STC-ISP生成定时器1的1ms定时，然后修改定时器0为计数模式：

/* 定时器初始化函数 */
void Timer0_Init(void)  // 定时器0：计数模式
{
    AUXR &= 0x7F;      // 定时器时钟12T模式
    TMOD &= 0xF0;      // 清除定时器0配置位
    TMOD |= 0x05;      // 设置为计数模式，16位，不自动重装
    TL0 = 0x00;        // 计数器清零
    TH0 = 0x00;        // 计数器清零
    TF0 = 0;           // 清除溢出标志
    TR0 = 1;           // 启动定时器0
}

void Timer1_Init(void)  // 定时器1：1ms定时
{
    AUXR &= 0xBF;      // 定时器时钟12T模式
    TMOD &= 0x0F;      // 清除定时器1配置位
    TMOD |= 0x10;      // 设置为定时模式，16位
    TL1 = 0x18;        // 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;           // 使能定时器1中断
    EA = 1;            // 开启总中断
}

初始化顺序要求

void main(void)
{
    Timer0_Init();  // 1. 先初始化定时器0（计数器）
    Timer1_Init();  // 2. 再初始化定时器1（时基）
    
    while(1)
    {
        // 主循环
    }
}

为什么要先初始化定时器0？

• 定时器0需要先准备好接收脉冲
• 定时器1启动后立即开始计时
• 顺序错误可能导致第一次测量不准

2.4 频率读取与显示

2.4.1 全局变量定义

unsigned char Freq = 0;      // 存储测量到的频率值（单位：Hz）
unsigned int Time_1s = 0;    // 1秒计时器
bit Freq_Flag = 0;           // 频率有效标志位

变量说明

• Freq：存储频率测量结果
• Time_1s：累计定时器1中断次数，达到1000次=1秒
• Freq_Flag：防止第一次测量误差的标志位

2.4.2 定时器1中断服务函数

/* 定时器1中断服务函数：每1ms执行一次 */
void Timer1_ISR(void) interrupt 3
{
    // 1秒计时
    if(++Time_1s == 1000)  // 1000ms = 1s
    {
        Time_1s = 0;  // 清零计时器
        
        // 读取定时器0的计数值（即频率）
        Freq = (TH0 << 8) | TL0;
        
        // 清零定时器0，准备下一次计数
        TH0 = 0;
        TL0 = 0;
        
        // 拉高频率有效标志
        Freq_Flag = 1;
    }
}

代码执行流程

每1ms中断一次 → Time_1s++ → 达到1000次？
                                 ↓ 是
                          读取TH0和TL0 → 存入Freq
                                 ↓
                          清零TH0和TL0 → 重新计数
                                 ↓
                          Freq_Flag = 1 → 数据有效

2.4.3 频率显示函数

/* 数码管显示函数 */
void Display_Frequency(void)
{
    // 只有标志位为1时才显示频率
    if(Freq_Flag == 1)
    {
        // 显示频率值
        Display_Number(Freq);
    }
    else
    {
        // 显示等待信息或0
        Display_Number(0);
    }
}

为什么需要Freq_Flag标志位？

问题分析

• 定时器0在4T模式下，第一次测量可能不准确
• 原因：定时器0启动时刻与定时器1不同步
• 第一次测量的时间可能不足1秒

解决方案

• 使用标志位Freq_Flag
• 第一次1秒到达时，拉高标志位
• 只有标志位为1时才显示频率
• 这样确保显示的都是完整1秒的测量结果

时序示意图

定时器1启动 ─┬─ 0ms
             │
定时器0启动 ─┼─ 可能有延迟
             │
第一次1秒 ───┼─ 1000ms（数据可能不准）
             │   Freq_Flag = 1
             │
第二次1秒 ───┼─ 2000ms（数据准确）
             │   开始显示
             ↓

2.5 完整应用示例

#include <STC15F2K60S2.H>

// 全局变量
unsigned char Freq = 0;
unsigned int Time_1s = 0;
bit Freq_Flag = 0;

// 定时器初始化
void Timer0_Init(void)
{
    AUXR &= 0x7F;
    TMOD &= 0xF0;
    TMOD |= 0x05;  // 计数模式
    TL0 = 0x00;
    TH0 = 0x00;
    TF0 = 0;
    TR0 = 1;
}

void Timer1_Init(void)
{
    AUXR &= 0xBF;
    TMOD &= 0x0F;
    TMOD |= 0x10;  // 定时模式
    TL1 = 0x18;
    TH1 = 0xFC;
    TF1 = 0;
    TR1 = 1;
    ET1 = 1;
    EA = 1;
}

// 定时器1中断服务函数
void Timer1_ISR(void) interrupt 3
{
    if(++Time_1s == 1000)
    {
        Time_1s = 0;
        Freq = (TH0 << 8) | TL0;
        TH0 = TL0 = 0;
        Freq_Flag = 1;
    }
}

// 主函数
void main(void)
{
    // 初始化（顺序不能错）
    Timer0_Init();  // 先初始化计数器
    Timer1_Init();  // 再初始化时基
    
    while(1)
    {
        // 显示频率
        if(Freq_Flag)
        {
            Display_Number(Freq);
        }
        
        // 其他功能...
    }
}

2.6 常见问题与调试技巧

2.6.1 测量值始终为0

可能原因

1. 忘记用跳线帽连接P34和SIGNAL
2. 定时器0配置错误，未设置为计数模式
3. NE555电路未工作

排查步骤

// 1. 检查硬件连接
// 确认跳线帽已连接

// 2. 检查TMOD配置
if((TMOD & 0x0F) == 0x05)
{
    // 配置正确
}

// 3. 检查定时器0是否运行
if(TR0 == 1)
{
    // 定时器0已启动
}

2.6.2 第一次测量不准确

原因分析

• 定时器0和定时器1启动时刻不同步
• 第一个1秒周期可能不完整

解决方法

• 使用Freq_Flag标志位
• 第一次测量后才开始显示
• 代码示例见2.4.3节

2.7 测量范围与精度

理论测量范围

• 定时器0：16位 = 65535
• 最大频率：65535 Hz ≈ 65.5 kHz

实际测量范围

• 有效范围：10 Hz ~ 10 kHz
• 低于10Hz：测量时间过长，响应慢
• 高于10kHz：可能超出计数范围

测量精度

• 时间精度：±1ms（定时器1误差）
• 频率精度：±1Hz
• 相对误差：1/频率值