基于MSP430G2553的超声波测距讲解

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

目录

第1章 绪论 ............................................................................................................................ 3 1.1 项目简介 ........................................................................................................................ 3 1.2 项目功能目标 ................................................................................................................ 3 第2章 超声波测距原理 ........................................................................................................ 3 2.1 超声波简介 .................................................................................................................... 3 2.2 超声波测距原理 ............................................................................................................ 4 第3章 方案论证 .................................................................................................................... 4 3.1 设计思路 ........................................................................................................................ 4 3.2 硬件系统结构设计 ........................................................................................................ 4 第4章 主要元件介绍 ............................................................................................................ 5 4.1 单片机MSP430 LAUNCHPAD M430G2553 .................................................................... 5 4.2 超声波传感器HC-SR04 ............................................................................................... 6 4.3 5110LCD液晶显示屏 ................................................................................................... 6 第5章 软件设计 .................................................................................................................... 7 5.1 主程序流程 .................................................................................................................... 7 5.2 子程序设计 .................................................................................................................... 8 5.2.1 超声波发送子程序及超声波接收中断子程序 ..................................................... 8 5.2.2 距离计算子程序 ..................................................................................................... 8 5.2.3 液晶显示程序 ......................................................................................................... 9 第6章 系统调试及误差分析 .............................................................................................. 10 6.1 系统焊接 ...................................................................................................................... 10 6.2 误差及特性分析 .......................................................................................................... 10 附录一：主要程序 .................................................................................................................. 12

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

2.1 超声波简介

超声波测距原理

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

D1ct2

式中 c——超声波的传播速度；

1t2 ——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MSP430 launchpad M430G2553

MSP430 LaunchPad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 Spy Bi-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 Code Composer Studio 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;

4.3 5110LCD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，LCD128需12根。

3) 速度快，是LCD128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。

开始 系统初始化 时钟配置 N 发射超声波，计时器打开

接收到反射信号

定时器停止，保存定时值 根据时间计算距离 显示测量距离 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。 void send_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

#define LCD5110_CE_H P1OUT |= 0x80 //5110片选P1.7置位 1 #define LCD5110_CE_L P1OUT &= 0x7f //5110片选P1.7复位 0 #define LCD5110_DC_H P1OUT |= 0x40 //5110数据命令选择端P1.6置位 1 #define LCD5110_DC_L P1OUT &= 0xbf //5110数据命令选择端P1.6复位 0 #define LCD5110_DIN_H P1OUT |= 0x20 //5110数据输入端P1.5置位 1 #define LCD5110_DIN_L P1OUT &= 0xdf //5110数据输入端P1.5复位 0 #define LCD5110_CLK_H P1OUT |= 0x10 //5110数据命令选择端P1.4置位 1 #define LCD5110_CLK_L P1OUT &= 0xef //5110数据命令选择端P1.4复位 0 #define LCD5110_BL_H P2OUT |= 0x02 //5110背光控制端P2.1置位 1 #define LCD5110_BL_L P2OUT &= 0xfd //5110背光控制端P2.1复位 0 #define LCD5110_RST_H P2OUT |= 0x01 //5110背光控制端P2.0置位 1 #define LCD5110_RST_L P2OUT &=0xfe //5110背光控制端P2.0复位 0 #define LCD_CMD 0x00 //八位0 #define LCD_DATA 0xff //八位1 extern void DELAYms(unsigned int time); //延时ms函数 extern void LCD5110_SET_XY(char x, char y); //写坐标函数 extern void LCD5110_Init(void); //屏幕初始化 extern void LCD5110_Clear(unsigned char L); //清除指定行 extern void LCD5110_Clear_All(void); //清除全屏 extern void Write_Char(char c); //写一个ASCII字符 extern void Write_String(const char *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\" char flag_time = 0; long TIME0 = 0, TIME1 = 0; long Distance_test = 0; long Distance0 = 0; char ge,shi,bai,qian; //时钟初始化 void CLK_Init(void) { if (CALBC1_1MHZ ==0xFF || CALDCO_1MHZ == 0xFF) { while(1); } BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; DCOCTL = CALDCO_1MHZ; } //端口初始化 void GPIO_Init(void) { } //定时器TIME1_A3初始化函数 void TIME1_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; } 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 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 P2OUT &= ~BIT2; //P2.2输出低电平 const char table1[]={\"DISTANCE:\ const char table2[]={\"CM(+-)1CM\//主函数 int main(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_A CCR0中断服务函数 #pragma vector = TIMER1_A0_VECTOR __interrupt void TIMER1_A0__ISR(void) { TACTL |= TASSEL_2 + MC_2+TAIE+TACLR; //SMCLK作为时钟源，连TA1CCTL0 |= CM_3 + CCIS_1 + SCS + CAP + CCIE; //上升沿与下降沿都捕获， 续计数模式 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); } } }