1、 本科自主創新設計 題目: 基于 MSP430 launchpad 超聲波測距系統 姓 名 孫尚威 學 院 電子工程學院 專 業 電子信息科學與技術 班 級 2013211202 學 號 2013210849 班內序號 04 指導教師 趙同剛 2015 年 5 月 目錄 第 1 章 緒論 3 1.1 項目簡介 3 1.2 項目功能目標 3 第 2 章 超聲波測距原理 3 2.1 超聲波簡介 3 2.2 超聲波測距原理 4 第 3 章 方案論證 4 3.1 設計思路 4 3.2 硬件系統結構設計 4 第 4 章 主要元件介紹 5 4.1 單片機 MSP430 LAUNCHPAD M430G255

2、3 5 4.2 超聲波傳感器 HC-SR04 6 4.3 5110LCD 液晶顯示屏 6 第 5 章 軟件設計 7 5.1 主程序流程 7 5.2 子程序設計 8 5.2.1 超聲波發送子程序及超聲波接收中斷子程序 8 5.2.2 距離計算子程序 8 5.2.3 液晶顯示程序 9 第 6 章 系統調試及誤差分析 10 6.1 系統焊接 10 6.2 誤差及特性分析 10 附錄一：主要程序 12 第 1 章 緒論 1.1 項目簡介 本設計介紹了基于單片機控制的超聲測距儀的原理：由MSP430單片機控制定時器 產生超聲波脈沖并計時，計算超聲波自發射至接收的往返時間，從而得到實測距離。用 四位 LC

3、D液晶屏顯示距離。整個硬件電路由超聲波發射模塊、超聲波接收模塊、單片機 控制模塊、顯示模塊組成。在此基礎上設計了系統的總體方案，最后通過硬件和軟件實 現了各個功能模塊。相關部分附有硬件電路圖、程序流程圖，給出了系統構成、電路原 理及程序設計。此系統具有易控制、可讀性強和流程清晰等優點。但穩定性有待提高， 后續有待實現顯示數據實時刷新的功能 1.2 項目功能目標 采用單片機作為主控制器，可實現低成本、高精度、微型化測距系統。實現 50cm-300cm的基本指標的障礙物距離測試， 能夠實現障礙物距離的實時顯示， 精確到厘 米。當被測距離小于預設報警值是，紅燈亮起，提示距離過近。在測距系統中加入蜂鳴

4、 器后可以實現預設的距離報警功能，進一步改進成為智能車倒車報警系統。 第 2 章 超聲波測距原理 2.1 超聲波簡介 我們知道，當物體振動時會發出聲音。科學家們將每秒鐘振動的次數稱為聲音的頻 率，它的單位是赫茲。我們人類耳朵能聽到的聲波頻率為 20 20000 赫茲。當聲波的振 動頻率大于 20000 赫茲或小于 20 赫茲時，我們便聽不見了。因此，我們把頻率高于 20000 赫茲的聲波稱為“超聲波” 。通常用于醫學診斷的超聲波頻率為 1 5 兆赫。超聲波具有 方向性好，穿透能力強，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠等特點。可用于測 距，測速，清洗，焊接，碎石等。在醫學，軍事，工業，農業上

5、有明顯的作用。 2.2 超聲波測距原理 超聲波是利用反射的原理測量距離的，被測距離一端為超聲波傳感器，另一端必須 有能反射超聲波的物體。測量距離時，將超聲波傳感器對準反射物發射超聲波，并開始 計時，超聲波在空氣中傳播到達障礙物后被反射回來，傳感器接收到反射脈沖后立即停 止計時，然后根據超聲波的傳播速度和計時時間就能計算出兩端的距離。測量距離D為 1 D ct 2 式中 c 超聲波的傳播速度； 1t 2 超聲波發射到接收所需時間的一半，也就是單程傳播時間。 第 3 章 方案論證 3.1 設計思路 超聲波測距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為已知， 測量聲波在發射后遇 到障礙物反射回來的時間，

6、根據發射和接收的時間差計算出發射點到障礙物的實際距 離。由于超聲波易于定向發射、方向性好、強度易控制、與被測量物體不需要直接接觸 的優點，超聲波測距儀可應用于倒車提醒、建筑工地、工業現場等的距離測量。本實驗 設計并制作了了一款基于單片機的低成本、高精度、微型化的超聲波測距儀。采用單片 機作為主控制器，控制發射觸發脈沖的開始時間及脈寬，響應回波時刻并測量、計數發 射至往返的時間差。控制產生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅動器，經驅動器驅動 后推動生超聲波；一旦探頭接到回波，則其輸出引腳的電平將從“1”變為“ 0”，這種 電平變化可以作為單片機對接收探頭的接收情況進行實時監控。同時還控制顯示電路，

7、 實現數字顯示。 3.2 硬件系統結構設計 超聲波測距儀系統結構如下圖所示。 它主要由單片機、 超聲波發射及接收模塊、 LCD 顯示電路及電源電路組成。系統主要功能包括： 1) 超聲波的發射、接收，并根據計時時間計算測量距離； 2) LED 顯示器顯示距離； 3）當系統運行不正常時，用復位電路復位 第 4 章 主要元件介紹 4.1 單片機 MSP430 launchpad M430G2553 MSP430 LaunchPad 是一款易于使用的閃存編程器和調試工具，它提供了在 MSP430 超值系列器件上進行開發所需的一切內容。它提供了具有集成仿真功能的 14/20 引腳 DIP 插座目標板，可

8、通過 Spy Bi-Wire （ 2 線 JTAG ）協議對系統內置的 MSP430 超值系列器件進行快速編程和調 試。由于 MSP430 閃存的功耗極低，因此 無需外部電源即可在數秒內擦除閃存并對 其進行編程。 LaunchPad 將 MSP430 器件 與 Code Composer Studio 版本 4 或 IAR 嵌入式工作平臺等集成軟件環境相連接。 MSP430 超值系列器件上的這些 IDE 是免 費且非受限的軟件。 LaunchPad 支持所有采 用 14 或 20 引腳 DIP 封裝（ TI 封裝代 碼 ： N ） 的 MSP430G2xx 閃 存 器 件 。 LaunchPa

9、d 還采用用于定制項目和應用的板載可編程 LED 和按鈕！ 10 引腳 PCB 連接器還可用于連接 LaunchPad 和附加器件。實現在采用 14 或 20 引腳 DIP (N) 封裝 的所有 MSP430 超值系列器件上的開發。 LaunchPad 的集成仿真器接口將基于閃存的 MSP430 超值系列器件與 PC 相連接，可通過 USB 實現實時系統內編程和調試。 4.2 超聲波傳感器 HC-SR04 接線方式， VCC、trig (控制端)、 echo(接收端)、GND 模塊工作原理： (1) 采用 IO 觸發測距，給至少 10us 的高電平信號 ; (2) 模塊自動發送 8 個 40k

10、hz 的方波，自動檢測是否有信號返回； (3) 有信號返回，通過 IO 輸出一高電平，高電平持續的時間就是 超聲波從發射到返回的時間測試距離 =(高電平時間 *聲速 (340M/S)/2; 4.3 5110LCD 液晶顯示屏 NOKIA 公司生產的可用于其 5110、6150，6100 等系列移動電話的液晶顯示模塊。 該產品除應用于移動電話外，也可廣泛應用于各類便攜式設備的顯示系統。 Nokia5110 是一款經典機型，可能由于經典的緣故，舊機器 很多，所以很多電子工程師就把舊機器的屏幕拆 下來，自己驅動 Nokia5110，用于開發的設備顯 示 1) 性價比高， Nokia5110 可以顯示

11、 15 個 漢字， 30 個字符。 2) 接口簡單，僅四根 I/O 線即可驅動， LCD1602 需 11根 I/O 線，LCD12864 需 12根。 3) 速度快，是 LCD12864 的 20倍，是 LCD1602 的 40倍。 4) Nokia5110工作電壓 3.3V，正常顯示時工作電流 200uA 以下，具有掉電模式， 適合電池供電的便攜式移動設備 第 5 章 軟件設計 5.1 主程序流程 系統上電后，首先系統初始化，定時器開始定時，控制超聲波傳感器發出超聲波， 同時使定時器開始定時。當出發管腳為低電平時接收到回波，立即使定時器停止工作， 保存定時器的計數值。然后根據傳輸時間計算距

12、離計算出距離后調用距離顯示子程序， LCD 顯示距離。 5.2 子程序設計 5.2.1 超聲波發送子程序及超聲波接收中斷子程序 超聲波發生子程序的作用是通過 P2.2 端口發送超聲波脈沖信號(頻率約 40kHz 的 方波)，脈沖寬度為 12s左右，同時把計數器 T1 打開進行計時。 void send_15us()/超聲波發送 15us 的高電平 P2OUT delay_us(20); P2OUT|=BIT0; delay_us(20); P2OUT while(1) send_15us(); delay(100); 5.2.2 距離計算子程序 當前溫度和超聲波往返時間均測量出來后， 用 C

13、語言根據公式計算距離來編程是比 較簡單的算法。 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

14、 test /1000) % 10 + 48; 5.2.3 液晶顯示程序 #defineLCD5110_CE_H P1OUT |= 0 x80 #defineLCD5110_CE_L P1OUT extern void LCD5110_SET_XY(char x, char y); extern void LCD5110_Init(void); extern void LCD5110_Clear(unsigned char L); extern void LCD5110_Clear_All(void); extern void Write_Char(char c); extern void W

15、rite_String(const char *p); /5110 片選 P1.7 置位 1 /5110 片選 P1.7 復位 0 /5110 數據命令選擇端 P1.6 置位 1 /5110 數據命令選擇端 P1.6 復位 0 /5110 數據輸入端 P1.5 置位 1 /5110 數據輸入端 P1.5 復位0 /5110 數據命令選擇端 P1.4 置位1 /5110 數據命令選擇端 P1.4 復位 0 /5110 背光控制端 P2.1 置位1 /5110 背光控制端 P2.1 復位0 /5110 背光控制端 P2.0 置位1 /5110 背光控制端 P2.0 復位0 / 八位 0 /八位 1

16、 / 延時 ms 函數 /寫坐標函數 /屏幕初始化 /清除指定行 /清除全屏 /寫一個 ASCII 字符 /寫字符串 第 6 章 系統調試及誤差分析 6.1 系統焊接 以萬用板做載板，將 LCD 顯示模塊，單片機控制模塊以及超聲波發射接收模塊組 合在一起。用杜邦線連接各模塊的管腳。 6.2 誤差及特性分析 根據超聲波的特性，距離測量時必須滿足條件： 被測目標必須垂直于超聲波測距儀。 被測目標表面必須平坦。 測量時在超聲波測距儀周圍沒有其他可反射超聲波的物體。 因此在測量過程中稍 不小心就會接收不到超聲波，而導致沒有測量結果。 由于超聲波的往返時間由單片機 msp430的定時器 T1來記，定時器

17、 T1 工作在方式 1，其最大定時時間為 65.536ms，可得出最大的測量距離在 10m 以內。且因為發射功率 有限，測距儀也無法測量 10m 外的物體。在實際的測試中 3m之內有較高的測量精度。 由于程序設計的問題， 在移動測距裝置的過程中， LCD 液晶屏上顯示的數據無法實時刷 新，需要在測試時按下復位按鍵實現距離數據的刷新。 附錄一：主要程序 #include #includeheader.h char flag_time = 0; long TIME0 = 0, TIME1 = 0; long Distance_test = 0; long Distance0 = 0; char g

18、e,shi,bai,qian; /時鐘初始化 void CLK_Init(void) if (CALBC1_1MHZ =0 xFF | CALDCO_1MHZ = 0 xFF) while(1); BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; DCOCTL = CALDCO_1MHZ; /端口初始化 void GPIO_Init(void) P1DIR |= BIT4+BIT5+BIT6+BIT7; /P2.3 作為捕獲輸入 /主功能模塊觸發 /P2.2 作為觸發端，設為輸出 /P2.2 輸出低電平 / 啟用 P1.3 內部上下拉電阻 /設置為上拉電阻 /P1.3 為下降沿觸發中斷 /P1.3

19、 中斷允許 P2DIR |= BIT0+BIT1; P2DIR P2SEL |= BIT3; P2DIR |= BIT2; P2OUT P1REN |=BIT3 ; P1OUT |=BIT3 ; P1IES |BIT3; P1IE |BIT3; /定時器 TIME1_A3 初始化函數 void TIME1_A3_Init(void) CCI0B ， TA1CTL |= TASSEL1 + MC_2; /SMCLK 作為時鐘源，連續計數模式 TA1CCTL0 |= CM_3 + CCIS_1 + SCS + CAP + CCIE;/ 上升沿與下降沿都捕獲，輸入源為 同步捕獲模式，使能中斷 TA1

20、CCR0=0; const char table1=DISTANCE:; const char table2=CM(+-)1CM; /主函數 int main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;/ 關閉看門狗定時器 CLK_Init(); GPIO_Init(); TIME1_A3_Init(); LCD5110_Init(); LCD5110_Clear_All(); LCD5110_SET_XY(0, 1); Write_String(table1); LCD5110_BL_H; _EINT();/ 中斷使能 while(1) LPM0; _NOP(); /定時器 Timer1_A CCR0 中斷服務函