一、工具準(zhǔn)備

工欲善其事，必先利其器，這次基于51單片機(jī)，繪制一個(gè)最小系統(tǒng)原理圖，制板并焊接，利用超聲波模塊測(cè)距。這次項(xiàng)目需要用到51單片機(jī)、超聲波模塊、電腦端的串口助手，以及自己繪制一個(gè)51單片機(jī)最小系統(tǒng)的電路板。畫板部分推薦嘉立創(chuàng)EDA，國(guó)產(chǎn)免費(fèi)，有很多免費(fèi)的庫(kù)和一些優(yōu)秀的開(kāi)源工程，可以直接拿來(lái)用，非常方便；畫完板子直接嘉立創(chuàng)下單打樣，每個(gè)月兩次免費(fèi)的打樣機(jī)會(huì)，白嫖的板子拿來(lái)練手，豈不美哉？

看我文章的大多都是大學(xué)生，大學(xué)階段要多練習(xí)，從繪圖到制板再到焊接，先模仿再創(chuàng)新，熟能生巧，不管是大學(xué)階段的作業(yè)、課程設(shè)計(jì)還是畢業(yè)設(shè)計(jì)，都會(huì)非常簡(jiǎn)單。若本專業(yè)沒(méi)有必須要求的繪圖軟件，這個(gè)嘉立創(chuàng)EDA軟件，我是極力推薦的，上手很快，如果用過(guò)CAD等軟件，最多半個(gè)小時(shí)基本上就會(huì)用了，大家可以在線或者下載下來(lái)使用，登錄自己的賬號(hào)即使換電腦了，之前保存的工程文件也可以繼續(xù)使用。

二、硬件介紹

基本流程：首先繪制原理圖，完成原理圖之后，就可以轉(zhuǎn)成PCB文件，根據(jù)需求選擇好板子的大小，調(diào)整好各個(gè)元器件的位置，然后布線，最后檢查沒(méi)問(wèn)題就生成Gerber文件。把這個(gè)Gerber文件交給制板廠家進(jìn)行打樣，等板子到了根據(jù)原理圖把元器件焊接到板子的對(duì)應(yīng)位置就可以了，不想手焊的話也可以交由廠家貼片完成，像嘉立創(chuàng)從繪制PCB到打板到smt貼片一條龍就很方便。

硬件設(shè)計(jì)：51單片機(jī)最小系統(tǒng)就不再細(xì)講了，我把原理圖放到下面；整體思路就是通過(guò)單片機(jī)向超聲波模塊發(fā)送命令，超聲波模塊接收到正確命令后，返回出我們需要的數(shù)據(jù)（高電平時(shí)間），然后我們時(shí)間還有聲速，就可以算出來(lái)距離了，最后單片機(jī)通過(guò)串口，把距離發(fā)送到上位機(jī)，該功能就實(shí)現(xiàn)了。

51單片機(jī)最小系統(tǒng)原理圖

質(zhì)量把控：板子的質(zhì)量對(duì)于焊接后的外觀以及電氣性能的至關(guān)重要，性能優(yōu)異，顏值更是錦上添花；要好看的顏值和優(yōu)異的性能，生產(chǎn)板子的原材料、精度和一致性等都很重要，因此，制板廠家是否靠譜對(duì)于項(xiàng)目的推進(jìn)有著不可忽視的作用，我自己也在很多廠家打過(guò)板子，現(xiàn)在基本上就是首選嘉立創(chuàng)了，也推薦給大家。 ????工藝科普：想要產(chǎn)品質(zhì)量好，制程工藝非常重要，先進(jìn)的工藝不僅可以提高產(chǎn)品質(zhì)量，還可以方便客戶使用，在一些高多層板的設(shè)計(jì)中，如果使用盤中孔工藝，則可以在設(shè)計(jì)階段大大提高PCB設(shè)計(jì)工程師的效率、提高PCB的良率，有利于高速板的性能。現(xiàn)在嘉立創(chuàng)又推出了“盤中孔工藝對(duì)6-20層的板子全免費(fèi)”，不僅提高了焊盤的機(jī)械強(qiáng)度，并且方便布線，對(duì)于密集的點(diǎn)位，若使用“盤中孔工藝”，布線的時(shí)間將大大縮減，對(duì)于高速板來(lái)說(shuō)，不用彎彎繞繞的布線了，性能也會(huì)有所提升，想更多了解“盤中孔工藝”，可以看下面這篇文章。

嘉立創(chuàng)”盤中孔設(shè)計(jì)工藝”

嘉立創(chuàng)，公眾號(hào)：嘉立創(chuàng)嘉立創(chuàng)強(qiáng)烈建議你6、8-20層電路板采用“盤中孔設(shè)計(jì)工藝”

嘉立創(chuàng)盤中孔內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖

三、實(shí)驗(yàn)原理

HC-SR04超聲波測(cè)距模塊：

模塊工作原理： (1)采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10us的高電平信號(hào); (2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40KHz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回； (3)有信號(hào)返回，通過(guò)IO輸出高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間； 測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340m/s))/2; ? ? 根據(jù)公式S=v*t，我們要想通過(guò)超聲波來(lái)測(cè)量距離，就需要知道速度v和時(shí)間t，一般情況下，以空氣為介質(zhì)，聲速為340m/s，速度知道后，就差時(shí)間了。

這個(gè)模塊一共有4個(gè)引腳，除了VCC和GND外，還有Trig（控制端）和Echo(接收端），當(dāng)控制端接收到信號(hào)時(shí)，模塊就會(huì)就自動(dòng)發(fā)送8個(gè)方波，遇到障礙物后就會(huì)反射回來(lái)①；發(fā)射時(shí)記一個(gè)時(shí)間，接收時(shí)再記一個(gè)時(shí)間，時(shí)間差就是一來(lái)一回所用的時(shí)間了，這個(gè)時(shí)間差不用我們?nèi)ニ悖K會(huì)自動(dòng)幫我們算，然后會(huì)在Echo引腳輸出一個(gè)高電平，然后再自動(dòng)拉低，這樣我們只要讀出來(lái)這個(gè)高電平時(shí)間②，就可以知道發(fā)射的聲波一來(lái)一回用了多長(zhǎng)時(shí)間，再除以2，就可以知道單方向所用的時(shí)間了，有了速度，有了時(shí)間，就可以根據(jù)公式把距離算出來(lái)了。

下面具體介紹一下如何實(shí)現(xiàn)： ????①：根據(jù)超聲波模塊的工作原理可以得知，需要給控制端Trig一個(gè)大于10us的高電平，于是初始化時(shí)要先將Trig引腳初始化為低電平，然后將Trig置高電平，延時(shí)大于10us，再置低電平。這個(gè)工作做完后，聲波就自動(dòng)發(fā)射出去了，下面該算時(shí)間了。

?

void Ultrasound_Init(void)
{  
  Trig_P17 = 0;//初始化為低電平
  Echo_P32 = 0;
  Timer0_Init();
}
int get_distance(void)
{
  unsigned char i,t1,t2;
  unsigned char timeH,timeL;
  unsigned int time;
  unsigned int distance;


  Trig_P17 = 1;//置為高電平
??for(i=0;i<12;i++)//延時(shí)大于10us
  {
    _nop_();
  }
  Trig_P17 = 0;//置為低電平
  ……
  ……
  }

? ????②：計(jì)算時(shí)間，就是計(jì)算接收端Echo的高電平時(shí)間，所以我們也要先把Echo初始化為低電平，硬件自動(dòng)拉高，然后再自動(dòng)拉低；咱們檢測(cè)自動(dòng)拉高的這一段時(shí)間就可以了，這里用到了一個(gè)小技巧，巧用了定時(shí)器的工作模式，以定時(shí)器0為例： ??? TR0：定時(shí)器T0的運(yùn)行控制位，當(dāng)GATE=1時(shí)，TR0=1且INT0輸入高電平時(shí)，才允許T0計(jì)數(shù)。 ????現(xiàn)在我們把接收端Echo接到外部中斷0，P32引腳,先把TR0置1，這時(shí)候定時(shí)器不工作，只有Echo為高電平時(shí)，才開(kāi)始計(jì)數(shù)，剛好咱們的超聲波模塊也是用高電平時(shí)間反饋聲波一來(lái)一回所用的時(shí)間，這樣咱們就把定時(shí)器的初值設(shè)為0，開(kāi)始計(jì)數(shù)時(shí)是從0開(kāi)始的，如果Echo由高電平變?yōu)榈碗娖綍r(shí)，定時(shí)器停止計(jì)數(shù)，這時(shí)我們?cè)僮x取定時(shí)器的計(jì)數(shù)值，就可以知道記了多少個(gè)數(shù)，以12MHz晶振為例，12T模式下記一個(gè)數(shù)需要1us，這樣咱們就知道高電平一共是多長(zhǎng)時(shí)間了，再除以2，就得到了單方向的時(shí)間。于是，根據(jù)公式距離就可以算出來(lái)了。

void Timer0_Init(void)
{
  TMOD &=0xF0;
  TMOD |=0x09; //設(shè)T0為方式1，GATE=1；
  TH0 = 0; //高位置0
  TL0 = 0; //低位置0
  TF0 = 0;
  TR0 = 1;
}


void Ultrasound_Init(void)
{  
  Trig_P17 = 0;
??Echo_P32?=?0;//初始化為低電平
  Timer0_Init();
}


int get_distance(void)
{
  unsigned char i,t1,t2;
  unsigned char timeH,timeL;
  unsigned int time;
  unsigned int distance;
……
  Echo_P32 = 1;
 ……
??timeH?=?TH0;//得到最終的計(jì)數(shù)值
  timeL = TL0;
  TH0 = 0;//初值清零，重新計(jì)數(shù)
  TL0 = 0;


??time?=?timeH*255?+?timeL;????//計(jì)數(shù)數(shù)量轉(zhuǎn)化為十進(jìn)制
……
??distance?=?time?*?1.7/100;//計(jì)算得到距離??
  return distance;
}

編輯：黃飛

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