基于MSP430G2553的超声波测距.docx

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基于MSP430G2553的超声波测距

本科自主创新设计

题目:

基于MSP430_launchpad超声波测距系统

姓名孙尚威

学院电子工程学院

专业电子信息科学与技术

班级2013211202

学号2013210849

班内序号04

指导教师赵同刚

2015年5月

第1章绪论

1.1项目简介

本设计介绍了基于单片机控制的超声测距仪的原理：

由MSP430单片机控制定时器产生超声波脉冲并计时，计算超声波自发射至接收的往返时间，从而得到实测距离。

用四位LCD液晶屏显示距离。

整个硬件电路由超声波发射模块、超声波接收模块、单片机控制模块、显示模块组成。

在此基础上设计了系统的总体方案，最后通过硬件和软件实现了各个功能模块。

相关部分附有硬件电路图、程序流程图，给出了系统构成、电路原理及程序设计。

此系统具有易控制、可读性强和流程清晰等优点。

但稳定性有待提高，后续有待实现显示数据实时刷新的功能

1.2项目功能目标

采用单片机作为主控制器，可实现低成本、高精度、微型化测距系统。

实现50cm-300cm的基本指标的障碍物距离测试，能够实现障碍物距离的实时显示，精确到厘米。

当被测距离小于预设报警值是，红灯亮起，提示距离过近。

在测距系统中加入蜂鸣器后可以实现预设的距离报警功能，进一步改进成为智能车倒车报警系统。

第2章超声波测距原理

2.1超声波简介

我们知道，当物体振动时会发出声音。

科学家们将每秒钟振动的次数称为声音的频率，它的单位是赫兹。

我们人类耳朵能听到的声波频率为20～20000赫兹。

当声波的振动频率大于20000赫兹或小于20赫兹时，我们便听不见了。

因此，我们把频率高于20000赫兹的声波称为“超声波”。

通常用于医学诊断的超声波频率为1～5兆赫。

超声波具有方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，在水中传播距离远等特点。

可用于测距，测速，清洗，焊接，碎石等。

在医学，军事，工业，农业上有明显的作用。

2.2超声波测距原理

超声波是利用反射的原理测量距离的，被测距离一端为超声波传感器，另一端必须有能反射超声波的物体。

测量距离时，将超声波传感器对准反射物发射超声波，并开始计时，超声波在空气中传播到达障碍物后被反射回来，传感器接收到反射脉冲后立即停止计时，然后根据超声波的传播速度和计时时间就能计算出两端的距离。

测量距离D为

式中c——超声波的传播速度；

——超声波发射到接收所需时间的一半，也就是单程传播时间。

第3章方案论证

3.1设计思路

超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。

由于超声波易于定向发射、方向性好、强度易控制、与被测量物体不需要直接接触的优点，超声波测距仪可应用于倒车提醒、建筑工地、工业现场等的距离测量。

本实验设计并制作了了一款基于单片机的低成本、高精度、微型化的超声波测距仪。

采用单片机作为主控制器，控制发射触发脉冲的开始时间及脉宽，响应回波时刻并测量、计数发射至往返的时间差。

控制产生超声波信号，通过输出引脚输入至驱动器，经驱动器驱动后推动生超声波；一旦探头接到回波，则其输出引脚的电平将从“1”变为“0”，这种电平变化可以作为单片机对接收探头的接收情况进行实时监控。

同时还控制显示电路，实现数字显示。

3.2硬件系统结构设计

超声波测距仪系统结构如下图所示。

它主要由单片机、超声波发射及接收模块、LCD显示电路及电源电路组成。

系统主要功能包括：

1）超声波的发射、接收，并根据计时时间计算测量距离；

2）LED显示器显示距离；

3）当系统运行不正常时，用复位电路复位

第4章主要元件介绍

4.1单片机MSP430launchpadM430G2553

MSP430LaunchPad是一款易于使用的闪存编程器和调试工具，它提供了在MSP430超值系列器件上进行开发所需的一切内容。

它提供了具有集成仿真功能的14/20引脚DIP插座目标板，可通过SpyBi-Wire（2线JTAG）协议对系统内置的MSP430超值系列器件进行快速编程和调试。

由于MSP430闪存的功耗极低，因此无需外部电源即可在数秒内擦除闪存并对其进行编程。

LaunchPad将MSP430器件与CodeComposerStudio版本4或IAR嵌入式工作平台等集成软件环境相连接。

MSP430超值系列器件上的这些IDE是免费且非受限的软件。

LaunchPad支持所有采用14或20引脚DIP封装（TI封装代码：

N）的MSP430G2xx闪存器件。

LaunchPad还采用用于定制项目和应用的板载可编程LED和按钮！

10引脚PCB连接器还可用于连接LaunchPad和附加器件。

实现在采用14或20引脚DIP（N）封装的所有MSP430超值系列器件上的开发。

LaunchPad的集成仿真器接口将基于闪存的MSP430超值系列器件与PC相连接，可通过USB实现实时系统内编程和调试。

4.2超声波传感器HC-SR04

接线方式，VCC、trig（控制端）、echo（接收端）、GND

模块工作原理：

（1）采用IO触发测距，给至少10us的高电平信号;

（2）模块自动发送8个40khz的方波，自动检测是否有信号返回；

（3）有信号返回，通过IO输出一高电平，高电平持续的时间就是

超声波从发射到返回的时间．测试距离=（高电平时间*声速（340M/S））/2;

4.35110LCD液晶显示屏

NOKIA 公司生产的可用于其5110、6150，6100 等系列移动电话的液晶显示模块。

该产品除应用于移动电话外，也可广泛应用于各类便携式设备的显示系统。

Nokia5110是一款经典机型，可能由于经典的缘故，旧机器很多，所以很多电子工程师就把旧机器的屏幕拆下来，自己驱动Nokia5110，用于开发的设备显示

1）     性价比高，Nokia5110可以显示15个汉字，30个字符。

2）     接口简单，仅四根I/O线即可驱动，LCD1602需11根I/O线，LCD12864需12根。

3）     速度快，是LCD12864的20倍，是LCD1602的40倍。

4）     Nokia5110工作电压3.3V，正常显示时工作电流200uA以下，具有掉电模式，适合电池供电的便携式移动设备

第5章软件设计

5.1主程序流程

系统上电后，首先系统初始化，定时器开始定时，控制超声波传感器发出超声波，同时使定时器开始定时。

当出发管脚为低电平时接收到回波，立即使定时器停止工作，保存定时器的计数值。

然后根据传输时间计算距离计算出距离后调用距离显示子程序，LCD显示距离。

N

5.2子程序设计

5.2.1超声波发送子程序及超声波接收中断子程序

超声波发生子程序的作用是通过P2.2端口发送超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T1打开进行计时。

voidsend_15us（）//超声波发送15us的高电平

{

P2OUT&=~BIT0;

delay_us（20）;

P2OUT|=BIT0;

delay_us（20）;

P2OUT&=~BIT0;

}

while

（1）

{

send_15us（）;

delay（100）;

}

5.2.2距离计算子程序

当前温度和超声波往返时间均测量出来后，用C语言根据公式计算距离来编程是比较简单的算法。

TIME1=TA1CCR0;

if（TIME1>TIME0）

{

TIME1=TIME1-TIME0;

}

else

{

TIME1=TIME1+（65535-TIME0）;

}

Distance0=TIME1*170;

Distance_test=（Distance0/10000）-7;ge=Distance_test%10+48;

shi=（Distance_test/10）%10+48;

bai=（Distance_test/100）%10+48;

qian=（Distance_test/1000）%10+48;

5.2.3液晶显示程序

#defineLCD5110_CE_HP1OUT|=0x80//5110片选P1.7置位1

#defineLCD5110_CE_LP1OUT&=0x7f//5110片选P1.7复位0

#defineLCD5110_DC_HP1OUT|=0x40//5110数据命令选择端P1.6置位1

#defineLCD5110_DC_LP1OUT&=0xbf//5110数据命令选择端P1.6复位0

#defineLCD5110_DIN_HP1OUT|=0x20//5110数据输入端P1.5置位1

#defineLCD5110_DIN_LP1OUT&=0xdf//5110数据输入端P1.5复位0

#defineLCD5110_CLK_HP1OUT|=0x10//5110数据命令选择端P1.4置位1

#defineLCD5110_CLK_LP1OUT&=0xef//5110数据命令选择端P1.4复位0

#defineLCD5110_BL_HP2OUT|=0x02//5110背光控制端P2.1置位1

#defineLCD5110_BL_LP2OUT&=0xfd//5110背光控制端P2.1复位0

#defineLCD5110_RST_HP2OUT|=0x01//5110背光控制端P2.0置位1

#defineLCD5110_RST_LP2OUT&=0xfe//5110背光控制端P2.0复位0

#defineLCD_CMD0x00//八位0

#defineLCD_DATA0xff//八位1

externvoidDELAYms（unsignedinttime）;//延时ms函数

externvoidLCD5110_SET_XY（charx,chary）;//写坐标函数

externvoidLCD5110_Init（void）;//屏幕初始化

externvoidLCD5110_Clear（unsignedcharL）;//清除指定行

externvoidLCD5110_Clear_All（void）;//清除全屏

externvoidWrite_Char（charc）;//写一个ASCII字符

externvoidWrite_String（constchar*p）;//写字符串

第6章系统调试及误差分析

6.1系统焊接

以万用板做载板，将LCD显示模块，单片机控制模块以及超声波发射接收模块组合在一起。

用杜邦线连接各模块的管脚。

6.2误差及特性分析

根据超声波的特性，距离测量时必须满足条件：

①被测目标必须垂直于超声波测距仪。

②被测目标表面必须平坦。

③测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体。

因此在测量过程中稍不小心就会接收不到超声波，而导致没有测量结果。

由于超声波的往返时间由单片机msp430的定时器T1来记，定时器T1工作在方式1，其最大定时时间为65.536ms，可得出最大的测量距离在10m以内。

且因为发射功率有限，测距仪也无法测量10m外的物体。

在实际的测试中3m之内有较高的测量精度。

由于程序设计的问题，在移动测距装置的过程中，LCD液晶屏上显示的数据无法实时刷新，需要在测试时按下复位按键实现距离数据的刷新。

附录一：

主要程序

#include

#include"header.h"

charflag_time=0;

longTIME0=0,TIME1=0;

longDistance_test=0;

longDistance0=0;

charge,shi,bai,qian;

//时钟初始化

voidCLK_Init（void）

{

if（CALBC1_1MHZ==0xFF||CALDCO_1MHZ==0xFF）

{

while

（1）;

}

BCSCTL1=CALBC1_1MHZ;

DCOCTL=CALDCO_1MHZ;

}

//端口初始化

voidGPIO_Init（void）

{

P1DIR|=BIT4+BIT5+BIT6+BIT7;

P2DIR|=BIT0+BIT1;

P2DIR&=~BIT3;//P2.3作为捕获输入

P2SEL|=BIT3;//主功能模块触发

P2DIR|=BIT2;//P2.2作为触发端，设为输出

P2OUT&=~BIT2;//P2.2输出低电平

P1REN|=BIT3;//启用P1.3内部上下拉电阻

P1OUT|=BIT3;//设置为上拉电阻

P1IES|BIT3;//P1.3为下降沿触发中断

P1IE|BIT3;//P1.3中断允许

}

//定时器TIME1_A3初始化函数

voidTIME1_A3_Init（void）

{

TA1CTL|=TASSEL1+MC_2;//SMCLK作为时钟源，连续计数模式

TA1CCTL0|=CM_3+CCIS_1+SCS+CAP+CCIE;//上升沿与下降沿都捕获，输入源为CCI0B，同步捕获模式，使能中断

TA1CCR0=0;

}

constchartable1[]={"DISTANCE:

"};

constchartable2[]={"CM（+-）1CM"};

//主函数

intmain（void）

{

WDTCTL=WDTPW+WDTHOLD;//关闭看门狗定时器

CLK_Init（）;

GPIO_Init（）;

TIME1_A3_Init（）;

LCD5110_Init（）;

LCD5110_Clear_All（）;

LCD5110_SET_XY（0,1）;

Write_String（table1）;

LCD5110_BL_H;

_EINT（）;//中断使能

while

（1）

{

LPM0;

_NOP（）;

}

}

//定时器Timer1_ACCR0中断服务函数

#pragmavector=TIMER1_A0_VECTOR

__interruptvoidTIMER1_A0__ISR（void）

{

TACTL|=TASSEL_2+MC_2+TAIE+TACLR;//SMCLK作为时钟源，连续计数模式

TA1CCTL0|=CM_3+CCIS_1+SCS+CAP+CCIE;//上升沿与下降沿都捕获，

while

（1）{

{

TIME1=TA1CCR0;

if（TIME1>TIME0）

{

TIME1=TIME1-TIME0;

}

else

{

TIME1=TIME1+（65535-TIME0）;

}

Distance0=TIME1*170;

Distance_test=（Distance0/10000）-7;//根据实际距离校准后的数值补偿

ge=Distance_test%10+48;

shi=（Distance_test/10）%10+48;

bai=（Distance_test/100）%10+48;

qian=（Distance_test/1000）%10+48;

LCD5110_Clear（4）;

LCD5110_SET_XY（0,4）;

Write_Char（qian）;

Write_Char（bai）;

Write_Char（shi）;

Write_Char（ge）;

LCD5110_SET_XY（24,4）;

Write_String（table2）;

}

}

}