基于51單片機的超聲測距裝置設計

張軍鋒，李 春，何明敏，羅 翔

（國家管網集團北方管道有限責任公司鄭州輸油氣分公司，河南 鄭州 450008）

0 引言

截至2020年底，我國油氣管道總里程已經達到16.5 萬公里；預計到2025年，我國長輸管道總里程將超過24 萬公里。隨著城市的高速發展，原有管道路線因無法適應新時期的城市規劃、距離人口密集區過近等問題，存在不少安全隱患，因此管道局部遷移已成為常態。在管道局部改線遷移過程中，封堵作業的安全實施是管線改遷工程順利實現的前提，而精準測距是封堵作業高效完成的重中之重，決定著管線改遷工作的成敗，更關系著施工人員的人身安全。因此，設計一款具有高精度、高穩定性的超聲測距裝置迫在眉睫。

1 總體設計

本文的超聲測距裝置由51 單片機、超聲波傳感器HCSR04、溫度傳感器DS18B20及液晶顯示模塊LCD1602等組成，采用C 語言編寫上位機程序。單片機發送指令后，超聲測距傳感器發射口發射相應的信號，待信號遇到障礙物反射回來，并由超聲測距裝置接收口接收后，對時間信號進行預處理，濾除噪聲等干擾；之后將處理過的信號上傳至單片機進行距離測算，實現精準測距，并將測算結果顯示在LCD1602 液晶屏上[1-4]。系統測距流程如圖1所示。

圖1 系統測距流程

2 硬件模塊概述

2.1 51 單片機

STC89C51RC 系列單片機是宏晶科技出品的具備高速、抗靜電、低功耗（掉電模式下功耗約0.5 μA，空閑模式下功耗約2 mA，正常工作模式下功耗約4～7 mA）特點，且具有超強抗干擾能力的新一代單片機，其指令代碼完全兼容傳統8051 單片機。STC89C51RC 系列單片機的工作頻率范圍為0～40 MHz，工作電壓范圍為3.4～5.5 V（5 V 單片機）或2.0～3.8 V（3 V 單片機），工作溫度范圍為-40～85 ℃（工業級）/0～75 ℃（商業級），片上集成512/1 280 B 的RAM，具有32 個或36 個通用I/O 口[5-7]，不僅能夠滿足當前應用，更便于后期進行功能擴展。

選用STC89C51RC 系列單片機時需注意，其P0 口既可作為輸入/輸出口，也可作為地址/數據復用總線；P0 口內部無上拉電阻，故I/O 口需外接上拉電阻；當P0 口作為地址/數據復用總線時，無需外接上拉電阻。

2.2 超聲波傳感器

HC-SR04 超聲波測距傳感器具備2～400 cm 的非接觸式距離量測功能，其測距精度高達3 mm。該超聲波測距傳感器采用I/O 口TRIG 觸發測距，由相應模塊自動發送40 kHz 方波（在超聲測距過程中，頻率的選取對測量結果會產生較大影響，若頻率過低，則外界雜音影響較大；若頻率過高，則傳播衰減較大，故選擇40 kHz 超聲波），并自動檢測是否有信號返回。如若收到返回信號，則通過I/O 口ECHO 輸出高電平[8-10]。測距公式為：

式中，聲速為340 m/s。

在使用該超聲測距模塊進行設計時需注意如下事項：

（1）該模塊不宜帶電連接，如若帶電連接，則須先連接模塊的GND 端，否則會影響模塊正常工作。

（2）在進行超聲測距時，需保證被測物體的面積大于或等于0.5 m2，且被測物體保持平整，否則會影響測量結果。

超聲波時序如圖2所示；模塊電氣參數見表1 所列。

圖2 超聲波時序

表1 電氣參數

2.3 溫度傳感器

溫度傳感器選用DS18B20。DS18B20 是美國DALLAS公司出品的可編程分辨率的單總線數字溫度傳感器，通過單線接口發送、接收命令，具有體積小、功耗低、結構簡單、用戶可自行設定閾值等優點，僅需一個微控制器即可控制多個DS18B20[11-13]。該溫度傳感器的溫度測量范圍為-55～125 ℃（若測量溫度范圍為-10～85 ℃，則該傳感器精度為±0.5 ℃）；工作電壓范圍為3.0～5.5 V，其在寄生電源方式下可由數據線供電；支持多點組網、多點測溫；測量結果為數字溫度信號，通過串行方式發送至上位機（同時還可傳送CRC 校驗碼），糾錯、抗干擾能力強。

由于封堵現場處于野外，傳感器需在高溫、嚴寒的環境下工作，故本系統選擇DS18B20 溫度傳感器。該傳感器內含低溫度系數晶振，其晶振頻率受溫度影響小，可將產生的固定頻率脈沖信號傳送至減法計數器；而隨著溫度的改變，高溫度系數晶振的振蕩頻率會發生明顯變化，其產生的信號將作為減法計數器的脈沖輸入，使得惡劣的野外環境對DS18B20 影響微乎其微，故其是室外溫度傳感器的首選。

51 單片機控制DS18B20 進行溫度轉換時需在每次讀寫前對DS18B20 復位，成功后發送ROM 指令與RAM 指令對DS18B20 進行預定操作。復位時主CPU 將數據線下拉500 μs后釋放，待DS18B20 收到信號后等待16～60 μs，并發送60～240 μs 的低脈沖，主CPU 收到該信號則表明此時已復位成功。

在使用該溫度傳感器進行設計時需注意如下事項：

（1）為順利讀取測溫結果，在對DS1820進行讀寫編程時，必須嚴格保證其讀寫時序。

（2）單總線上掛載的DS1820 不能超過8 個，否則需要考慮微處理器的總線驅動問題。

（3）總線電纜存在長度限制，在設計時需要考慮阻抗匹配、總線分布電容等問題。

（4）在進行硬件連接和軟件設計時需避免程序進入“死循環”。

溫度傳感器DS18B20 的引腳排列如圖3所示，內部結構如圖4所示。

圖3 DS18B20 的引腳排列

圖4 DS18B20 的內部結構

2.4 液晶顯示模塊

液晶模塊選用LCD1602。LCD1602 字符型液晶顯示屏由若干個5×7 或5×11 的點陣字符位組成，每個點陣字符位都可以顯示一個字符。該顯示屏是專用于顯示字母、數字、符號等的點陣型液晶模塊。LCD1602 液晶顯示屏顯示的內容為16×2（顯示兩行），每行擁有16 個字符液晶模塊（顯示字符和數字）[14]。LCD 接口電路如圖5所示。

圖5 LCD 接口電路

圖5 中，RS 為數據/命令選擇端；RW 為讀寫選擇端；E 為使能信號。在使用該液晶顯示模塊時需注意，每次對控制器進行讀寫操作前，必須進行讀寫檢測，但由于液晶控制器的反應速度快于單片機的操作速度，因此也可不檢測，或僅進行短延時。

3 程序設計（部分）

測算距離的部分程序如圖6所示。

圖6 測算距離程序（部分）

4 系統實物

基于51 單片機的超聲測距裝置實物及測試效果如圖7所示。文中研發設計的系統經封堵現場驗證，運行穩定，達到了預期效果。

圖7 系統實物及測試效果

5 結語

本文設計的基于51 單片機的超聲測距裝置原理清晰、結構簡單、使用方便。經封堵現場測試，該裝置運行穩定，測量數值精確；相比人工手動測試，大大縮短了測試時間，提高了測試效率，具有較高的應用價值。