基于51單片機的超聲波測距儀設計方案

一、 引言

超聲波測距技術作為一種非接觸式測量方法，因其高精度、高可靠性、對環境適應性強等優點，在工業自動化、機器人導航、物聯網設備、智能家居以及安防領域有著廣泛的應用前景。超聲波測距儀通過發射超聲波脈沖并接收其回波，利用聲波在介質中傳播的速度恒定性，通過測量超聲波從發射到接收的總時間來精確計算出被測物體與傳感器之間的距離。本設計方案將深入探討基于經典的51系列單片機實現超聲波測距儀的詳細過程，涵蓋其系統構成、硬件選型、軟件設計以及可能遇到的問題與解決方案，旨在為讀者提供一個全面且實用的設計指南，使其能夠成功構建并優化自己的超聲波測距系統。51單片機憑借其成熟的生態系統、豐富的資料、易學易用等特點，成為初學者和工程師進行嵌入式系統設計的理想選擇，尤其適用于對成本和功耗有一定要求的中小型項目。本文將著重分析每個關鍵元器件的選擇理由及其在整個系統中的功能，確保讀者對設計的每一個環節都有清晰的認識。

二、 超聲波測距原理

超聲波測距的基本原理是利用超聲波在空氣中傳播的時間與距離之間的關系。當超聲波發射器發出超聲波脈沖后，該脈沖在空氣中傳播，遇到障礙物后會被反射回來，并被超聲波接收器接收。我們知道聲波在介質中傳播的速度是一個相對穩定的常數（在標準大氣壓和20℃時，聲速約為343米/秒）。通過精確測量從超聲波發射到接收到回波的總時間t，就可以利用簡單的物理公式計算出距離D。由于超聲波是從發射器發出，傳播到障礙物后再反射回接收器，因此這個時間t實際上是超聲波往返的總時間。所以，單程距離D的計算公式為：D=2v×t其中，v是超聲波在當前介質（通常是空氣）中的傳播速度。需要注意的是，聲速會受到環境溫度、濕度、氣壓等因素的影響。在實際應用中，為了提高測距精度，通常需要對聲速進行溫度補償。然而，對于大多數非高精度要求的應用場景，可以采用一個固定的經驗值。51單片機在接收到回波信號后，會啟動定時器計時，直至接收到回波停止，從而得到超聲波的往返時間，再通過上述公式換算為距離。這一過程的精度高度依賴于單片機的定時器精度和對外界干擾的濾除能力。

三、 系統整體構成

基于51單片機的超聲波測距儀主要由以下幾個核心模塊組成：主控模塊、超聲波收發模塊、顯示模塊、電源模塊和按鍵模塊（可選）。每個模塊協同工作，共同完成超聲波的發射、接收、時間測量、距離計算以及最終的顯示功能。主控模塊作為整個系統的大腦，負責協調各個模塊的工作，處理數據并進行邏輯控制。超聲波收發模塊是實現測距功能的關鍵，包括超聲波發射電路和超聲波接收電路。顯示模塊則用于直觀地展示測量結果。電源模塊為整個系統提供穩定的工作電壓。按鍵模塊（如果需要）可以用于模式切換、參數設置或校準等功能，增加了系統的交互性。這種模塊化的設計思路使得系統的開發、調試和維護變得更加便捷高效，同時也為后續功能的擴展預留了空間。

四、 主要元器件選型及作用分析

本部分將詳細介紹構建超聲波測距儀所需的關鍵元器件，并深入分析其選擇原因、功能及在系統中的作用。

4.1 主控芯片：STC89C52RC/AT89C52

• 選擇理由： STC89C52RC和AT89C52是廣泛應用于教學和工業控制領域的經典51系列單片機。它們具有成熟的架構、豐富的IO口資源、內置定時器/計數器、串口通信能力以及片內Flash存儲器。STC系列的單片機相比傳統的AT系列，通常具有更快的運行速度、更寬的工作電壓范圍、更低的功耗和更為便捷的ISP（在系統編程）功能，無需專用編程器即可下載程序，極大地簡化了開發流程。對于超聲波測距這種需要精確時間測量和實時數據處理的應用，51單片機的定時器/計數器資源完全能夠滿足需求，其性價比極高，資料豐富，便于學習和開發。

• 功能：

• 控制超聲波模塊： 通過控制超聲波模塊的Trigger（觸發）引腳發射超聲波，并通過Echo（回響）引腳接收回波信號。

• 時間測量： 利用其內部的定時器/計數器功能，精確測量超聲波從發射到接收回波之間的時間間隔。例如，可以使用定時器T0或T1，設置為計數模式，通過捕捉Echo引腳的高電平持續時間來獲取時間。

• 數據處理： 根據測量到的時間，結合聲速計算出實際距離。

• 顯示控制： 控制LCD1602或數碼管顯示模塊，將計算出的距離值顯示出來。

• 系統協調： 負責整個系統的工作流程調度，包括初始化、數據采集、計算、顯示刷新等。

• 具體型號分析： STC89C52RC具有8KB的Flash程序存儲器、512B的RAM、32個可編程I/O口、3個16位定時器/計數器、一個全雙工UART串口以及看門狗定時器。這些資源對于超聲波測距儀的設計綽綽有余。其工作頻率可達35MHz，足以提供足夠的指令執行速度來處理實時測距任務。

4.2 超聲波測距模塊：HC-SR04

• 選擇理由： HC-SR04是一款集成度高、使用方便且性價比極高的超聲波測距模塊。它包含了超聲波發射器和接收器，以及相應的控制電路，僅通過兩個引腳（Trig和Echo）即可完成測距功能，極大地簡化了外部電路設計。其測量范圍通常在2cm至400cm之間，精度可達0.3cm，足以滿足大多數通用測距需求。模塊內部已經集成了超聲波發射和接收的壓電陶瓷片以及驅動電路和信號處理電路，用戶無需關心超聲波信號的具體產生和接收細節，只需關注Trig和Echo引腳的時序控制。

• 功能：

• Trig（觸發）引腳： 通過向該引腳輸入一個10微秒（us）以上的高電平脈沖，模塊會內部自動發射8個40KHz的超聲波脈沖。

• Echo（回響）引腳： 當超聲波模塊發射超聲波后，Echo引腳會變為高電平。當接收到回波信號時，Echo引腳會變為低電平。因此，Echo引腳高電平的持續時間就代表了超聲波從發射到接收的總時間。

• 工作原理概覽： 51單片機首先給HC-SR04的Trig引腳一個短促的高電平脈沖，HC-SR04隨即發射超聲波。單片機同時啟動定時器開始計時。超聲波遇到障礙物反射回來后，HC-SR04的Echo引腳會從低電平變為高電平，并持續到接收到回波為止。單片機檢測到Echo引腳變為高電平后，開始捕捉高電平的持續時間，當Echo引腳再次變為低電平時，停止計時。根據計時器的時間差，即可計算出距離。這種簡單而高效的接口設計是選擇HC-SR04的關鍵原因。

4.3 顯示模塊：LCD1602液晶顯示屏

• 選擇理由： LCD1602是一種經典的字符型液晶顯示模塊，可以顯示兩行，每行16個字符。它結構簡單、價格便宜、接口友好，非常適合用于顯示簡單的數字和文字信息，如距離值、單位等。與數碼管相比，LCD1602能夠顯示更多的信息，并且功耗較低，顯示效果更清晰。其內部集成了LCD控制器，與單片機連接方便，通常通過并行或I2C（如果帶有轉換模塊）接口進行通信。

• 功能： 接收來自51單片機的數據和控制命令，并將其轉換為可視的字符或數字顯示出來。在本設計中，它主要用于顯示測量到的距離值，例如“Distance: XX.XX cm”。

• 接口說明： LCD1602通常有16個引腳，包括數據線（D0-D7）、控制線（RS、RW、EN）和電源線。RS（Register Select）用于選擇命令寄存器或數據寄存器；RW（Read/Write）用于選擇讀寫模式；EN（Enable）用于使能操作。通過對這些引腳的電平組合和時序控制，單片機可以向LCD1602發送命令（如清屏、設置光標位置）和顯示數據。

4.4 電源模塊：AMS1117-3.3/5.0V穩壓模塊

• 選擇理由： 超聲波測距儀需要穩定可靠的電源供應。51單片機通常工作在5V，而HC-SR04模塊也推薦5V供電，但有些版本的LCD1602可能需要3.3V或5V。為了確保整個系統的穩定運行，通常會采用一個穩壓模塊將外部電源（如9V電池或12V適配器）轉換為單片機和各模塊所需的穩定電壓。AMS1117系列穩壓芯片是常見的低壓差線性穩壓器，具有輸出電壓穩定、紋波小、功耗低、成本低廉等優點。選擇帶有AMS1117芯片的模塊可以方便地將較高輸入電壓轉換為所需的5V或3.3V輸出。

• 功能： 將外部輸入的非穩壓直流電源（例如直流9V或12V）轉換為系統所需的穩定5V或3.3V直流電源，為單片機、超聲波模塊和顯示模塊提供可靠的工作電壓，避免因電壓波動引起的系統不穩定或誤動作。

• 選擇原因： 盡管可以直接使用三端穩壓芯片7805，但AMS1117系列具有更低的壓差，這意味著在輸入電壓與輸出電壓差較小的情況下也能保持穩定輸出，且其封裝和集成度更適合模塊化設計。

4.5 其他輔助元器件

• 晶振： 通常為11.0592MHz或12MHz。

• 選擇理由： 晶振是單片機的心臟，為單片機提供穩定的時鐘信號。11.0592MHz是一個常用值，因為它能產生標準的波特率，方便串口通信（如果需要）。12MHz則是一個常用的整數頻率，便于計算定時器和延時。

• 功能： 提供單片機系統時鐘，決定了單片機指令執行速度和定時器/計數器的計時精度。

• 復位電路： 通常由一個10kΩ電阻和10μF電容組成。

• 選擇理由： 復位電路是單片機正常啟動的必要條件。RC復位電路是最簡單、最常用的復位方式，在系統上電時為單片機提供一個短暫的低電平復位信號，確保單片機從已知狀態開始運行。

• 功能： 在上電瞬間或按下復位按鈕時，強制單片機回到初始狀態，重新開始執行程序，防止因上電不穩定等因素導致程序運行異常。

• 濾波電容： 0.1μF陶瓷電容（并聯在電源引腳附近）和10μF/100μF電解電容（并聯在穩壓輸出端）。

• 選擇理由： 電源濾波是確保系統穩定運行的關鍵。陶瓷電容用于濾除高頻噪聲，電解電容用于濾除低頻噪聲，提供穩定的直流電源。

• 功能： 降低電源紋波和噪聲，保證各芯片工作電壓的穩定性，防止干擾信號通過電源線進入芯片，提高系統抗干擾能力和工作穩定性。

五、 硬件電路設計

硬件電路設計是實現測距儀功能的物理基礎，需要將上述選定的元器件按照正確的連接方式組合起來。

5.1 主控芯片最小系統

STC89C52RC/AT89C52單片機需要構建一個最小系統才能正常工作。這包括：

• 電源連接： VCC接5V，GND接地。

• 晶振電路： 將11.0592MHz或12MHz的晶振連接到單片機的XTAL1和XTAL2引腳，并分別并聯兩個22pF或33pF的瓷片電容到地。這兩個電容是晶振的負載電容，用于提供穩定的諧振頻率。

• 復位電路： 將單片機的RST引腳通過一個10kΩ電阻連接到VCC，同時并聯一個10μF電解電容到GND。此外，可以并聯一個按鍵開關，一端接RST，另一端接地，用于手動復位。

5.2 超聲波模塊連接

HC-SR04模塊與51單片機的連接非常簡單：

• VCC： 連接到51單片機的5V電源。

• GND： 連接到51單片機的GND。

• Trig（觸發）： 連接到51單片機的一個普通I/O口，例如P1.0。用于單片機向HC-SR04發送觸發脈沖。

• Echo（回響）： 連接到51單片機的另一個普通I/O口，例如P1.1。最好選擇可以作為外部中斷或定時器輸入捕捉的引腳，但對于測量高電平持續時間，普通I/O口結合定時器查詢也可行。

5.3 LCD1602顯示模塊連接

LCD1602通常采用4位或8位并行模式與單片機連接。為了節省I/O口資源，通常選擇4位模式。

• VCC和GND： 連接到51單片機的5V電源和GND。

• VDD和VSS： VDD接5V，VSS接地。

• VO： 對比度調節引腳，通常連接一個10kΩ的滑動變阻器，一端接VCC，另一端接地，中間滑動端接VO，用于調節顯示對比度。

• RS、RW、EN： 控制線，分別連接到51單片機的三個I/O口，例如P0.0、P0.1、P0.2。

• RS (Register Select)：P0.0

• RW (Read/Write)：P0.1 (通常接地，只進行寫操作)

• EN (Enable)：P0.2

• DB4-DB7： 數據線（高4位），連接到51單片機的另外四個I/O口，例如P0.4-P0.7。

• A和K： 背光引腳，A（Anode）接VCC（通常串聯一個限流電阻），K（Cathode）接地。

如果使用帶I2C接口的LCD1602模塊，連接會更簡單，只需要SCL和SDA兩根線連接到單片機的I2C接口引腳即可。

六、 軟件程序設計

軟件程序設計是實現超聲波測距儀功能的靈魂，它負責控制硬件、處理數據并實現邏輯功能。程序主要包括初始化、超聲波發射、時間測量、距離計算和顯示等模塊。

6.1 主程序結構

主程序通常包含初始化函數、無限循環以及必要的延時或任務調度。

#include <reg52.h> // 引入51單片機頭文件
#include <intrins.h> // 包含_nop_()函數用于微秒級延時

sbit Trig = P1^0; // 定義Trig引腳
sbit Echo = P1^1; // 定義Echo引腳

// LCD1602接口定義
sbit LCD_RS = P0^0;
sbit LCD_RW = P0^1; // 實際應用中常直接接地，只進行寫操作
sbit LCD_EN = P0^2;
#define LCD_DATA P0 // 將P0口定義為數據端口

unsigned int time_count; // 存儲定時器計數值
float distance; // 存儲計算出的距離

// 函數聲明
void delay_us(unsigned int us);
void delay_ms(unsigned int ms);
void HCSR04_Init();
void HCSR04_Start();
unsigned int HCSR04_GetDistance();
void LCD_WriteCommand(unsigned char cmd);
void LCD_WriteData(unsigned char dat);
void LCD_Init();
void LCD_ShowChar(unsigned char row, unsigned char col, unsigned char dat);
void LCD_ShowString(unsigned char row, unsigned char col, unsigned char *str);
void LCD_ShowNum(unsigned char row, unsigned char col, float num, unsigned char len);

void main()
{
    HCSR04_Init(); // 初始化超聲波模塊
    LCD_Init();    // 初始化LCD1602
    
    LCD_ShowString(0, 0, "Distance:"); // 第一行顯示固定文本
    
    while(1)
    {
        time_count = HCSR04_GetDistance(); // 獲取超聲波往返時間
        
        // 根據時間計算距離
        // 聲速v = 343 m/s = 0.0343 cm/us
        // 距離D = (v * t) / 2
        // 如果定時器是1us計數一次，那么time_count就是us數
        // 實際計算時，需要考慮單片機晶振和定時器分頻。
        // 例如：12MHz晶振，定時器工作在模式1，1us計數一次
        （12/12 = 1個機器周期，1個機器周期1us）
        // D = time_count * 0.0343 / 2;
        // D = time_count * 0.01715; // 簡化計算
        // 考慮更精確的聲速計算：在20℃空氣中聲速約為343.2m/s，即34320cm/s = 0.03432 cm/us
        // distance = (float)time_count * 0.03432 / 2.0; // 往返時間除以2得到單程時間
        // 更準確的計算方法是：12MHz晶振，一個機器周期為1us，如果定時器是1us加1，
        那么time_count的單位就是us
        // 距離 = (時間（us） * 0.034cm/us) / 2
        distance = (float)time_count / 58.0; // 經驗公式，將us轉換為cm的便捷方法
         (1/0.03432)*2 ≈ 58
                                            // 或者 distance = (float)time_count * 0.01716;
                                            
        if(distance > 400 || distance < 2) // 超出測量范圍或無效值
        {
            LCD_ShowString(1, 0, "Out of Range  "); // 清除舊顯示，顯示超范圍
        }
        else
        {
            LCD_ShowNum(1, 0, distance, 4); // 在LCD第二行顯示距離，保留2位小數
            LCD_ShowString(1, 6, " cm "); // 顯示單位
        }
        
        delay_ms(100); // 延時100ms，等待下一次測量，避免測量過于頻繁
    }
}

6.2 延時函數

延時函數是嵌入式編程中常用的基本功能，用于產生精確的時間延遲。

// 微秒級延時函數
void delay_us(unsigned int us)
{
    while(us--)
    {
        _nop_(); // 執行一個空指令，一個機器周期，通常為1us（12MHz晶振）
    }
}

// 毫秒級延時函數
void delay_ms(unsigned int ms)
{
    unsigned int i, j;
    for(i=ms; i>0; i--)
    {
        for(j=110; j>0; j--); // 經過校準的循環，使延時接近1ms (對于12MHz晶振)
    }
}

6.3 HC-SR04模塊操作函數

這是超聲波測距的核心部分，負責觸發超聲波并測量回波時間。

// HC-SR04初始化 (在此示例中無需特殊初始化，主要是引腳配置)
void HCSR04_Init()
{
    // 配置Trig和Echo引腳為輸出/輸入，對于51單片機，默認是準雙向口，直接操作即可
    // P1M0 = 0x00; P1M1 = 0x00; // 配置P1口為準雙向口（默認）
}

// 啟動超聲波測距并獲取時間
unsigned int HCSR04_GetDistance()
{
    unsigned int timer_value = 0;
    
    Trig = 0; // 清除Trig
    Trig = 1; // 產生一個10us以上的高電平脈沖
    delay_us(12); // 延時12us，確保脈沖寬度
    Trig = 0; // 脈沖結束

    // 等待Echo引腳變為高電平（接收到超聲波發射）
    while(!Echo); 
    
    // 啟動定時器開始計時
    // 這里使用定時器0，設置為模式1（16位定時器）
    TMOD &= 0xF0; // 清除TMOD的低四位，不影響T1
    TMOD |= 0x01; // 設置T0為模式1 (16位定時器/計數器)
    TH0 = 0x00;   // 定時器高8位清零
    TL0 = 0x00;   // 定時器低8位清零
    
    TR0 = 1;      // 啟動定時器0
    
    // 等待Echo引腳變為低電平（接收到回波）
    while(Echo && !TF0); // Echo為高電平且定時器未溢出
    
    TR0 = 0;      // 停止定時器0
    
    if(TF0) // 如果定時器溢出，說明超出了測量范圍或沒有收到回波
    {
        TF0 = 0; // 清除溢出標志
        return 0xFFFF; // 返回一個無效值
    }
    else
    {
        timer_value = TH0 * 256 + TL0; // 讀取定時器計數值
        return timer_value;
    }
}

關于定時器的說明：上述代碼中，定時器T0被設置為模式1（16位定時器），最大計數值為65535。如果使用12MHz晶振，一個機器周期是1μs。那么定時器每計數1次就是1μs。 因此，timer_value的單位就是μs。HC-SR04的有效測量范圍是2cm-400cm，對應的往返時間大約是116μs到23200μs。65535μs對應的距離約為11.2米，遠超HC-SR04的測量上限，所以定時器溢出的情況很少發生，除非長時間沒有回波。TF0是定時器溢出標志位，用于判斷是否溢出。

6.4 LCD1602顯示函數

這部分代碼用于控制LCD1602顯示測量結果。

// LCD1602發送命令
void LCD_WriteCommand(unsigned char cmd)
{
    LCD_RS = 0; // RS=0，表示寫命令
    LCD_RW = 0; // RW=0，表示寫操作
    
    // 發送高4位
    LCD_DATA = (cmd & 0xF0); 
    LCD_EN = 1; // EN高電平
    delay_us(5); // 延時片刻
    LCD_EN = 0; // EN低電平
    delay_us(5); // 延時片刻
    
    // 發送低4位
    LCD_DATA = ((cmd << 4) & 0xF0); // 將低四位左移到高四位
    LCD_EN = 1;
    delay_us(5);
    LCD_EN = 0;
    delay_us(5);
    
    delay_ms(2); // 命令執行延時
}

// LCD1602發送數據
void LCD_WriteData(unsigned char dat)
{
    LCD_RS = 1; // RS=1，表示寫數據
    LCD_RW = 0; // RW=0，表示寫操作
    
    // 發送高4位
    LCD_DATA = (dat & 0xF0);
    LCD_EN = 1;
    delay_us(5);
    LCD_EN = 0;
    delay_us(5);
    
    // 發送低4位
    LCD_DATA = ((dat << 4) & 0xF0);
    LCD_EN = 1;
    delay_us(5);
    LCD_EN = 0;
    delay_us(5);
    
    delay_ms(1); // 數據寫入延時
}

// LCD1602初始化
void LCD_Init()
{
    delay_ms(15); // 上電延時
    LCD_WriteCommand(0x30); // 功能設置：8位數據接口
    delay_ms(5);
    LCD_WriteCommand(0x30);
    delay_us(100);
    LCD_WriteCommand(0x30);
    
    LCD_WriteCommand(0x20); // 功能設置：4位數據接口
    
    LCD_WriteCommand(0x28); // 功能設置：4位數據，2行顯示，5x7點陣
    LCD_WriteCommand(0x0C); // 顯示開，光標關，不閃爍
    LCD_WriteCommand(0x06); // 地址自動加1，顯示不移動
    LCD_WriteCommand(0x01); // 清屏
    delay_ms(2);
}

// 在指定位置顯示字符
void LCD_ShowChar(unsigned char row, unsigned char col, unsigned char dat)
{
    unsigned char address;
    if(row == 0) // 第一行
    {
        address = 0x80 + col;
    }
    else // 第二行
    {
        address = 0xC0 + col;
    }
    LCD_WriteCommand(address); // 設置DDRAM地址
    LCD_WriteData(dat);        // 寫入數據
}

// 在指定位置顯示字符串
void LCD_ShowString(unsigned char row, unsigned char col, unsigned char *str)
{
    unsigned char address;
    if(row == 0) // 第一行
    {
        address = 0x80 + col;
    }
    else // 第二行
    {
        address = 0xC0 + col;
    }
    LCD_WriteCommand(address); // 設置DDRAM地址
    while(*str != '