本文介绍了蓝桥杯单片机比赛中超声波模块和PCA模块的工作原理。超声波测量利用超声波的反射计算距离，PCA模块则通过硬件计时和电平捕获实现精确计时。文中提供了PCA定时器的配置方法以及超声波测量的参考代码。
蓝桥杯单片机 超声波模块和PCA模块
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 11059200L
typedef 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_SW1.5
sfr 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=0
P_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;
}
}
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