超声波测距的最快算法

落日映苍穹つ 2022-08-20 01:17 199阅读 0赞

;利用超声波测距，都是统计超声波发出_到_接收的时间，然后再换算成距离
    ;对于时间的统计，通常都是使用计数器完成
    ;超声波发射后，启动计数器，收到回波后，取出计数值进行换算
    ;
    ;51单片机内部的计数器，是对机器周期进行计数的
    ;它的数值，和距离之间，有什么关系呢 ？
    ;--------------------------------------------------------
    ;当晶振频率是 12MHz，它的机器周期正好是 1us
    ;所以，单片机计数器中的计数值即代表微秒的个数
    ;
    ;假设声波的速度是 333m/s，那么，用微秒数除以 6，马上即可得到距离的毫米数
    ;即，计数器中的值为: 0~65535，除以 6 后，距离即为: 0~10922(mm)
    ;
    ;推导如下：
    ;
    ;   1s   对应路程  0.333 km = 1/3 km
    ;   1ms  对应路程  0.333 m  = 1/3 m
    ;   1us  对应路程  0.333 mm = 1/3 mm
    ;
    ;   1us  :  距离 1/6 mm
    ;   6us  :  距离 1 mm
    ;
    ; 1/6，即为每个机器周期T(即微秒)代表的距离数值(mm)
    ;
    ;--------------------------------------------------------
    ;当晶振频率是 11.0592MHz，它的机器周期则是 1.085us
    ;(T = 12 / 11.0592 = 1 / 0.9216 = 1.0850694444...us)
    ;
    ;时间长了，路程就远了，如果仍然按照除以 6 计算，得出的结果将偏小
    ;仍然这么算，好像是把声速降低了，降为：0.3072mm/us
    ;
    ;那么，用机器周期的个数乘以 1.085/6，才能得出正确的距离毫米数值
    ;
    ; 1.085/6，即为每个机器周期T(@11.0592MHz)的距离(mm)
    ;
    ;--------------------------------------------------------
    ;空气中的声速和环境温度、气压都有关系，并不一定总是 333m/s
    ;一般来说，310~345m/s 都是合理的数值
    ;因此，计算距离，算法并不是唯一的
    ;
    ;在网上，可以买到多种超声波测距的实验板，其中的程序的算法，花样百出
    ;有除以 59 (或 60) 得出厘米数的；也有先乘以 17，再除以 100 的；
    ;还有一个是乘以 12，再除以 58 的，这么算，其声速已经是 400 多米了 !
    ;只是因为它的测距范围较小，误差虽大，也难以看出来。
    ;
    ;其实，除以 6，是最简单、准确的算法
    ;做而论道已经用了多年，在网上却没有见到一个 ! 呵呵
    ;--------------------------------------------------------
    ;很多人都是用 C 语言编程，编程虽省事，单片机执行起来却要多费时
    ;网上的多数程序，算出来距离，再送去显示，都要用几个甚至上百毫秒
    ;这么低的效率，使得多检测几次取平均值的想法，都不好实现
    ;
    ;其实，用汇编语言编程，效率是最高的
    ;两个字节除以 6，编写一个两字节除以一字节的程序，仅仅用 300 多微秒(12MHz)即可
    ;
    ;两个字节乘以 1.085/6，这就要费点心思，仔细琢磨琢磨算法了...
    ;最好是把分子、分母同时扩大多少多少倍，找个好算的数字...
    ;除以 6，并非是容易计算的，学过二进制的都知道，右移一位，就是除以 2
    ;除以 2、4、...，2 的整数倍，计算起来才是最简单的
    ;除以 256，那就最简单了
    ;
    ;好吧，那就先乘以 43，再除以 256，这就和乘以 1/6 相差无几了
    ;这种算法，声速是 335m/s；在 11.0592MHz 时，声速相当于 309.6m/s，偏小
    ;
    ;乘以 1.085/6，又该怎样算呢？
    ;看看下表吧：
    ;---------------------------------------------------
    ;   算法   | 结果距离(mm) |     相当于声速(m/s)
    ;----------+--------------+---@12MHz----+-@11.0592--
    ;  1 / 6   |  0.16666...  |  333.333... |  307.2
    ; 41 / 256 |  0.16015625  |  320.3125   |  295.2
    ; 42 / 256 |  0.1640625   |  328.125    |  302.4
    ; 43 / 256 |  0.16796875  |  335.9375   |  309.6
    ; 44 / 256 |  0.171875    |  343.75     |  316.8
    ; 45 / 256 |  0.17578125  |  351.5625   |  324.0
    ; 46 / 256 |  0.1796875   |  359.375    |  331.2
    ; 47 / 256 |  0.18359375  |  367.1875   |  338.4
    ; 48 / 256 |  0.1875      |  375.00     |  345.6
    ; 49 / 256 |  0.19140625  |  382.8125   |  352.8
    ;---------------------------------------------------
    ;
    ;这个表，表示出了计算因子和声速的关系
    ;这个表，是用 EXCEL 算出来的，百度的格式有点乱，能看明白吗 ？
    
    ;如果是 12MHz，可以乘以 42、43 或 44
    ;如果是 11.0592MHz，可以乘以 46、47 或 48
    ;在表中，可看出不同的取值所对应的声速
    ;
    ;把两个字节的计数值，乘以 47，可以得到三个字节
    ;除以 256，那就太简单了，算都不用算，直接把最低 8 位扔掉就完了
    ;剩下的两个字节，就是乘以 47，再除以 256 的结果
    ;程序如下：
    ;--------------------------------------------------------
    VAR_SOUND  EQU  47        ;42, 43, 44 适用于 12MHz
                              ;46, 47, 48 适用于 11.0592MHz
    ;入口：R2R3 = 0~65535
    ;出口：R2R3 = R2R3 * 47 / 256 ≈ R2R3 * 1.085/6
    
    R23DIV6:
        MOV   A, R3
        MOV   B, #VAR_SOUND
        MUL   AB
    ;    MOV   R3, A          ;低八位就不要了
        MOV   R3, B           ;R3 = (R3 * 47)的高八位
        MOV   A, R2
        MOV   B, #VAR_SOUND
        MUL   AB              ;R2 * 47
        ADD   A, R3           ;加上刚才的
        MOV   R3, A           ;R3 = (R2R3 * 47)的中八位
        CLR   A
        ADDC  A, B
        MOV   R2, A           ;R2 = (R2R3 * 47)的高八位 
    RET                       ;全部程序共 23T
    ;--------------------------------------------------------
    ;这是计算距离的最快算法
    ;做而论道仅仅才用了 23 微秒(12MHz)，就能达到别人需要几千微秒才能达到的目的
    ;
    ;这个程序，甚至比前面所说的除以 6，还要快近十倍
    ;
    ;程序中，VAR_SOUND 的数值，可以根据实际情况的需要进行选择
    ;也可以用一个寄存器，根据当时检测的温度进行变化，进行温度修正
    ;
    ;本程序，距离计算的精度是最高的
    ;合理选择 VAR_SOUND 的值，如 46、47、48，再按照这个算法来计算
    ;理论上的量化误差是 (1/256)/2 = 1/512，即小于千分之二
    ;其它的算法，虽然各有各的理由，但是计算的结果，精度绝不会比这个用汇编写的高
    ;--------------------------------------------------------