超声波测距器的设计.docx

1、超声波测距器的设计基于MSP430单片机超声波测距器的设计一、总体设计1.1 超声波测距原理超声波发射器向某一方向发射超声波 ,在发射时刻的同时开始计时 ,超声波在空气中传播 ,途中碰到障碍物就立即返回来 ,超声波接收器收到反射波就立即停止计时 ,超声波在空气中传播的速度为,根据计时时间 ,就可以计算出发射点距障碍物的距离 ,即 (1) 公式中，V为声波在空气中传播的速度；t为超声波在空气中传播的时间这就是时间差测距法，本系统就是利用单片机控制超声波发射器发射超声波脉冲，同时利用单片机中的计数器开始计时。超声波达到后面的障碍物就会反射回来，接收装置接收到回波信号后由外部比较电路产生高电平使单片

2、机产生外部中断。单片机运行中断服务子程序(ISR)计算出距离，并传送给LCD显示给司机 ，同时程序内还有比较模块，若车距小于3米，则显示所测量的距离同时单片机输出一个高电平使蜂鸣器报警，若车距大于3米，则显示安全蜂鸣器不报警，这样以声光两种方式可靠地向司机反馈信息，来保证倒车或行车的安全。1.2 超声波时序图原理HC-SR04超声波测距模块可提供2cm-400cm的非接触式距离感应功能，测距精度高达3mm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。时序图原理：1、 采用IO口TRIG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

3、返回，通过TO口ECHO输出一个高电平，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；1.3 总体设计方法本设计采用MSP430F1611单片机作为主控芯片，由超声波模块、电源电路模块、液晶显示模块、蜂鸣器等组成。利用定时器中断的方式捕获时间差，将采集的时间通过公式计算得到障碍物与测试点之间的距离，最后将测量的数据通过LCD12864液晶实时的显示出来。 二、硬件设计2.1 基本应用系统本设计采用MSP430F1611为主控芯片，由一个8M的晶振和32.768KHz的晶振外加一个复位电路，构成了基本应用系统，如图2所示：与常用的51系列单片机相

4、比，MSP430系列单片机功能强大、功耗低、集成度高，但其价格略高。为得到合适的性价比 ,选择了TI公司早期生产的MSP430F1611,这种型号的单片机价格较低 ,功能虽然并不强大 ,但足以满足本系统要求2.2 人机接口电路本设计使用的液晶是12864字符型液晶，并且带字符库的，不需要查找代码。液晶电路使用时如果发现液晶不亮可以调节连接液晶的点位器，改变液晶的亮度。通过超声波模块获取的数据通过液晶实时显示出来。人机接口电路如图2所示; 2.3 超声波模块电路超声波模块电路图如图4所示：超声波的发射和接收采用 HC-SR04 模块， 模块包括超声波发射器、接收器和控制电路。 采用 IO 口 T

5、RIG 触发测距，给至少 10s 的高电平信号，模块自动发送 8 个 40kHz 的方波，并自动检测是否有信号返回，一旦检测到有回波信号则输出回响信号，回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。由此通过发射信号到收到的回响信号的时间间隔可以计算出距离。测量周期应为 60ms 以上，以防止发射信号对回响信号产生影响。 模块中 ECHO 是信号接收引脚，有信号返回时，通过IO 口 ECHO 输出一个高电平， 高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。2.4 电源电路电源电路如图5所示，本设计中分别采用了3.3V、5V电压为超声波测距器供电。此电源电路首先将220V交流电通过降压变压器降到10V交流电

6、，然后通过整流电路、滤波电路、稳压电路得到12V直流电，再通过SPX29300稳压芯片得到5V和3.3V电压。三、软件设计 3.1 程序流程图超声波测距系统的软件由主程序、 超声波发射及接收中断程序、显示子程序构成。 由于 C 语言有利于实现较为复杂的算法，而汇编程序有较高的效率并容易精确计算程序运行的时间，因此控制程序可以采用 C 语言程序与汇编语言程序的混合编程。超声波测距主程序先对系统进行初始化， 设定定时器 T0 工作在方式 1 ，置位总中断允许位 EA 并对显示端口 P2 清零，然后调用模块HC-SR04 发送超声波脉冲， 延时 2ms 后打开外部中断 0 接收返回的超声波信号。 主

7、程序检测到接收成功后，将计数器 T0 中的数（即超声波从发射到返回的时间 t ）， 按照公式 d= （ v*t ）/2 计算测距器与被测物体间的距离，其中 v 为声速。 超声波测距系统主程序流程如图 6 所示。 在环境温度变化不大的情况下，可以认为声速是基本不变的。设计时取 20 时的声速为 344m/s ，则有 d= （ 172*T0/10000）cm ，其中， T0为计数器 T0 的计数值。 表 1 列出了在不同温度下超声波的声速。表1 不同温度下超声波速度温度/C-30-20-100102030100声速(m/s)3133193253233383443493863.2 接口定义本设计采用

8、的MSP430F1611单片机是一款功能强大、低功耗工业型微处理器。单片机与超声波模块、液晶显示模块、蜂鸣器模块的接口定义如表2所示：表2 MSP430F1611单片机接口定义序号引脚号引脚名接口定义备注133P2.4CSLCD12864232P2.5CLK331P2.6SID438P5.3TRIG超声波模块537P5.2ECHO616P4.5IO蜂鸣器四、超声波测距器测量结果及分析系统设计并调试后，测试了8组数据，并对测距结果进行了分析，用以验证测距器的准确性与稳定性，测距结果如表3所示：表3 超声波测距实验数据序号测试距离(cm)实际距离(cm)1212223111041011515152

9、200620010174004018420500对测距结果进行分析可知， 超声波测距器 HC-SR04 测距模块的测距范围为 2cm-400cm。在程序设计的过程中，要考虑到发射信号对回响信号的影响，测量周期至少在 60ms以上。测距时被测物体的面积应不少于0.5m2，并保证被测面尽量平整，以免影响测量结果。在测距精度要求很高的情况下，要考虑到温度对于超声波声速的影响，通过温度补偿的方法进行校正。五、结论超声波指向性强，能量消耗慢，在介质中传播的距离较远，可以经常用于距离的测量。 利用单片机控制器和 HC-SR04 超声波模块设计的超声波测距系统，设计较为方便，计算处理也比较简单，在测量精度方

10、面能达到日常应用的要求，测量速度快，结果显示直观，在汽车倒车控制、建筑施工工地及其他工业现场的位置监控方面有较好的应用前景。附录一 硬件电路图附录二 源代码/*P1.2为捕获源输入端口，P1.3与传感器的trig端口相连*/#include#include12864.h#define uint unsigned int#define uchar unsigned char#define CPU (1000000)#define delay_us(x) (_delay_cycles(double)x*CPU/1000000.0) /_#define delay_ms(x) (_delay_cyc

11、les(double)x*CPU/1000.0)uchar line1=距离为：;unsigned long line210; /用于储存高电平期间计数的数值uint overflow=0,n=0;float r=0;/*(不精确)延时函数*/void delay_nms(uint x) uint i,j; for(i=0;ix;i+) for(j=0;j 0; i-); / Time for flag to set while (IFG1 & OFIFG); / OSCFault flag still set? BCSCTL2 |=SELM_2+SELS+DIVM_3; / MCLK=1M，

12、SMCLK= 8M /MCLK频率测试 /P5SEL|=BIT4; /P5DIR|=BIT4; /*TA的初始化设置*/void CAP_Init() P1DIR &= BIT2; /设置P1.2为输入 P1SEL |= BIT2; /设置P1.2为模块功能，即捕获源 TACCTL1|=CAP+CCIS_0+CM_3+CCIE+SCS; /上升、下降沿触发捕捉,用于测脉宽,同步模式、时能中断CCI1A TACTL |=TASSEL1 + ID_3+ MC_2+TACLR; /选择8MSMCLK时钟，8分频,连续计数模式/*处理函数*/void chuli() unsigned long sum

13、=0; P1SEL &=BIT2; /设置P1.2为普通IO口 P1DIR |= BIT2; /设置P1.2为输出 P1OUT &=BIT2; /先把echo端口拉低 P1OUT |= BIT3; delay_us(15); P1OUT &=BIT3; delay_us(200); P1SEL |= BIT2; /设置P1.2为模块功能，即捕获源 P1DIR &=BIT2; /设置P1.2为输入 if(n=10) uint k; n=0; TACTL|=MC_0; /关定时器 for(k=0;k10;k+) sum=sum+line2k; sum=sum/10; r=sum/1000000.0

14、; /把us化成s r=(r*340)/2.0; displayfloat(1,4,r); delay_ms(200); sum=0; r=0; /*主函数*/void main() WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /关看门狗 P1SEL &=BIT3; /(trig)设置为普通IO口 P1DIR |= BIT3; /配置为输出 P1OUT &=BIT3; /*P1SEL &=BIT4; /(echo)设置为普通IO口 P1DIR |= BIT4; /配置为输出 P1OUT &=BIT4;*/ init_lcd(); /液晶初始化 init_clk(); CAP_Init(

15、); _EINT(); while(1) displaystr(1,0,line1); delay_nms(20); chuli(); delay_ms(20); /*TA的中断服务程序*/#pragma vector=TIMERA1_VECTOR_interrupt void Timer_A (void) switch (TAIV) /向量查询 case 2: /捕获中断 if (TACCTL1&CCI) /上升沿触发 TACTL |=TACLR; /清除TAR overflow=0; else /下降沿触发 line2n+=TACCR1+overflow; TACTL |=TACLR; /

16、清除TAR overflow=0; break; /TACCR1 CCIFG中断向量(P1.2) case 4: break; case 10: /定时器溢出中断 overflow+; /溢出次数 break; default: break; /*/*12864的模板程序，LCD12864的4、5、6脚分别接P4、P5、P6 */*/*/*/#include#include 12864.h#define BIT(x) (10;j-) switch(j) case 3:temp=firstbyte;break; /第一个字节 case 2:temp=transdata&0xf0;break; /

17、第二个字节 case 1:temp=(transdata0;i-) if(temp&0x80) /提取最高位 P2OUT |= BIT(cySID); /最高位为1时输出1 else P2OUT &= BIT(cySID); /最高位为0时输出0 P2OUT |= BIT(cySCLK); /时钟拉高，写数据 temp= 1; P2OUT &= BIT(cySCLK); /时钟线拉低 delay_nms(1); /延时 P2OUT &= BIT(cySID); /输出为0 P2OUT &= BIT(cyCS); /片选线拉低，为下一次做准备/* 函数名： 12864显示数组* 函数功能： 根据

18、输入的数组，显示到12864指定的位置* 输入参数： X,Y坐标，数组指针*/void displaystr(uchar x,uchar y,uchar *p) lcd_pos(x,y); uint i=0; while(*(p+i)!=0) send(1,*(p+i); i+; /* 函数名： 12864显示数字* 函数功能： 根据输入的数字，显示到12864指定的位置* 输入参数： X,Y坐标，要显示的整形数组NUM* 返回值： 无* 函数创建者： * 函数创建日期：2014年6月21日*/void displayint(uchar x,uchar y,uint NUM) /*uchar

19、a_SHOW5; a_SHOW0=NUM/1000+0; /qian a_SHOW1=NUM%1000/100+0; /bai a_SHOW2=NUM%1000%100/10+0; /shi a_SHOW3=NUM%10+0;/ge a_SHOW4=0;*/ uchar a_SHOW6; a_SHOW0=NUM/10000+0; /wan a_SHOW1=NUM%10000/1000+0; /qian a_SHOW2=NUM%10000%1000/100+0; /bai a_SHOW3=NUM%10000%1000%100/10+0; /shi a_SHOW4=NUM%10+0;/ge a_S

20、HOW5=0; displaystr(x,y,a_SHOW);/* 函数名： 12864显示当个字符* 函数功能： 根据输入的字符，显示到12864指定的位置* 输入参数： X,Y坐标，要显示的字符a*/void displaychar(uchar x,uchar y,char a) lcd_pos(x,y); send(1,a);/* 函数名： 显示浮点型数据* 函数功能： 根据输入的浮点型数字，显示到12864指定的位置* 输入参数： X,Y坐标，要显示的浮点数num* 返回值： 无* 函数创建者： * 函数创建日期：2014年6月21日*/void displayfloat(uchar

21、x,uchar y,float num) uchar a_SHOW7;long int t;t=(long int)(num*100); /乘以1000取整，保留二位小数a_SHOW0=(t/1000)%10+0; /shia_SHOW1=(t/100)%10+0 ; /gea_SHOW2=.; /小数点a_SHOW3=(t/10)%10+0; /shi fena_SHOW4=t%10+0; /bai fen a_SHOW5=m;/a_SHOW5=t%10+0; /qian fea_SHOW6=0; displaystr(x,y,a_SHOW);/*函数名称：Clear_GDRAM功 能：清除液晶GDRAM内部的随机数据参 数：无返回值 ：无*/void Clear_GDRAM(void) uchar i,j,k; send(0,0x34); /打开扩展指令集 i = 0x80; for(j = 0;j 32;j+) send(0,i+); /对应行 send(0,0x80); /对应列 for(k = 0;k 16;k+) send(1,0x00); i = 0x80; for(j = 0;j 32;