基于51单片机的超声测距装置设计

2023-05-22张军锋何明敏

物联网技术 2023年5期

张军锋，李春，何明敏，罗翔

（国家管网集团北方管道有限责任公司郑州输油气分公司，河南郑州 450008）

0 引言

截至2020年底，我国油气管道总里程已经达到16.5 万公里；预计到2025年，我国长输管道总里程将超过24 万公里。随着城市的高速发展，原有管道路线因无法适应新时期的城市规划、距离人口密集区过近等问题，存在不少安全隐患，因此管道局部迁移已成为常态。在管道局部改线迁移过程中，封堵作业的安全实施是管线改迁工程顺利实现的前提，而精准测距是封堵作业高效完成的重中之重，决定着管线改迁工作的成败，更关系着施工人员的人身安全。因此，设计一款具有高精度、高稳定性的超声测距装置迫在眉睫。

1 总体设计

本文的超声测距装置由51 单片机、超声波传感器HCSR04、温度传感器DS18B20及液晶显示模块LCD1602等组成，采用C 语言编写上位机程序。单片机发送指令后，超声测距传感器发射口发射相应的信号，待信号遇到障碍物反射回来，并由超声测距装置接收口接收后，对时间信号进行预处理，滤除噪声等干扰；之后将处理过的信号上传至单片机进行距离测算，实现精准测距，并将测算结果显示在LCD1602 液晶屏上[1-4]。系统测距流程如图1所示。

图1 系统测距流程

2 硬件模块概述

2.1 51 单片机

STC89C51RC 系列单片机是宏晶科技出品的具备高速、抗静电、低功耗（掉电模式下功耗约0.5 μA，空闲模式下功耗约2 mA，正常工作模式下功耗约4～7 mA）特点，且具有超强抗干扰能力的新一代单片机，其指令代码完全兼容传统8051 单片机。STC89C51RC 系列单片机的工作频率范围为0～40 MHz，工作电压范围为3.4～5.5 V（5 V 单片机）或2.0～3.8 V（3 V 单片机），工作温度范围为-40～85 ℃（工业级）/0～75 ℃（商业级），片上集成512/1 280 B 的RAM，具有32 个或36 个通用I/O 口[5-7]，不仅能够满足当前应用，更便于后期进行功能扩展。

选用STC89C51RC 系列单片机时需注意，其P0 口既可作为输入/输出口，也可作为地址/数据复用总线；P0 口内部无上拉电阻，故I/O 口需外接上拉电阻；当P0 口作为地址/数据复用总线时，无需外接上拉电阻。

2.2 超声波传感器

HC-SR04 超声波测距传感器具备2～400 cm 的非接触式距离量测功能，其测距精度高达3 mm。该超声波测距传感器采用I/O 口TRIG 触发测距，由相应模块自动发送40 kHz 方波（在超声测距过程中，频率的选取对测量结果会产生较大影响，若频率过低，则外界杂音影响较大；若频率过高，则传播衰减较大，故选择40 kHz 超声波），并自动检测是否有信号返回。如若收到返回信号，则通过I/O 口ECHO 输出高电平[8-10]。测距公式为：

式中，声速为340 m/s。

在使用该超声测距模块进行设计时需注意如下事项：

（1）该模块不宜带电连接，如若带电连接，则须先连接模块的GND 端，否则会影响模块正常工作。

（2）在进行超声测距时，需保证被测物体的面积大于或等于0.5 m2，且被测物体保持平整，否则会影响测量结果。

超声波时序如图2所示；模块电气参数见表1 所列。

图2 超声波时序

表1 电气参数

2.3 温度传感器

温度传感器选用DS18B20。DS18B20 是美国DALLAS公司出品的可编程分辨率的单总线数字温度传感器，通过单线接口发送、接收命令，具有体积小、功耗低、结构简单、用户可自行设定阈值等优点，仅需一个微控制器即可控制多个DS18B20[11-13]。该温度传感器的温度测量范围为-55～125 ℃（若测量温度范围为-10～85 ℃，则该传感器精度为±0.5 ℃）；工作电压范围为3.0～5.5 V，其在寄生电源方式下可由数据线供电；支持多点组网、多点测温；测量结果为数字温度信号，通过串行方式发送至上位机（同时还可传送CRC 校验码），纠错、抗干扰能力强。

由于封堵现场处于野外，传感器需在高温、严寒的环境下工作，故本系统选择DS18B20 温度传感器。该传感器内含低温度系数晶振，其晶振频率受温度影响小，可将产生的固定频率脉冲信号传送至减法计数器；而随着温度的改变，高温度系数晶振的振荡频率会发生明显变化，其产生的信号将作为减法计数器的脉冲输入，使得恶劣的野外环境对DS18B20 影响微乎其微，故其是室外温度传感器的首选。

51 单片机控制DS18B20 进行温度转换时需在每次读写前对DS18B20 复位，成功后发送ROM 指令与RAM 指令对DS18B20 进行预定操作。复位时主CPU 将数据线下拉500 μs后释放，待DS18B20 收到信号后等待16～60 μs，并发送60～240 μs 的低脉冲，主CPU 收到该信号则表明此时已复位成功。

在使用该温度传感器进行设计时需注意如下事项：

（1）为顺利读取测温结果，在对DS1820进行读写编程时，必须严格保证其读写时序。

（2）单总线上挂载的DS1820 不能超过8 个，否则需要考虑微处理器的总线驱动问题。

（3）总线电缆存在长度限制，在设计时需要考虑阻抗匹配、总线分布电容等问题。

（4）在进行硬件连接和软件设计时需避免程序进入“死循环”。

温度传感器DS18B20 的引脚排列如图3所示，内部结构如图4所示。

图3 DS18B20 的引脚排列

图4 DS18B20 的内部结构

2.4 液晶显示模块

液晶模块选用LCD1602。LCD1602 字符型液晶显示屏由若干个5×7 或5×11 的点阵字符位组成，每个点阵字符位都可以显示一个字符。该显示屏是专用于显示字母、数字、符号等的点阵型液晶模块。LCD1602 液晶显示屏显示的内容为16×2（显示两行），每行拥有16 个字符液晶模块（显示字符和数字）[14]。LCD 接口电路如图5所示。