基于MSP430G2553的超聲波測(cè)距

1、-. z.本科自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)題目: 基于MSP430_launchpad超聲波測(cè)距系統(tǒng)姓 名 孫尚威學(xué) 院 電子工程學(xué)院專(zhuān) 業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù)班 級(jí) 2013211202學(xué) 號(hào) 2013210849班內(nèi)序號(hào) 04 指導(dǎo)教師 趙同剛 2015年5月目錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc419702495第1章緒論 PAGEREF _Toc419702495 h 3HYPERLINK l _Toc4197024961.1 工程簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc419702496 h 3HYPERLINK l _Toc4197024971.2 工程功能目標(biāo) PAGERE

2、F _Toc419702497 h 3HYPERLINK l _Toc419702498第2章超聲波測(cè)距原理 PAGEREF _Toc419702498 h 3HYPERLINK l _Toc4197024992.1 超聲波簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc419702499 h 3HYPERLINK l _Toc4197025002.2 超聲波測(cè)距原理 PAGEREF _Toc419702500 h 4HYPERLINK l _Toc419702501第3章方案論證 PAGEREF _Toc419702501 h 4HYPERLINK l _Toc4197025023.1 設(shè)計(jì)思路 PAGERE

3、F _Toc419702502 h 4HYPERLINK l _Toc4197025033.2 硬件系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc419702503 h 4HYPERLINK l _Toc419702504第4章主要元件介紹 PAGEREF _Toc419702504 h 5HYPERLINK l _Toc4197025054.1 單片機(jī)MSP430 launchpad M430G2553 PAGEREF _Toc419702505 h 5HYPERLINK l _Toc4197025064.2 超聲波傳感器HC-SR04 PAGEREF _Toc419702506 h 6HYPERL

4、INK l _Toc4197025074.3 5110LCD液晶顯示屏 PAGEREF _Toc419702507 h 6HYPERLINK l _Toc419702508第5章軟件設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc419702508 h 7HYPERLINK l _Toc4197025095.1 主程序流程 PAGEREF _Toc419702509 h 7HYPERLINK l _Toc4197025105.2 子程序設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc419702510 h 8HYPERLINK l _Toc4197025115.2.1 超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序 PAGEREF _T

5、oc419702511 h 8HYPERLINK l _Toc4197025125.2.2 距離計(jì)算子程序 PAGEREF _Toc419702512 h 8HYPERLINK l _Toc4197025135.2.3 液晶顯示程序 PAGEREF _Toc419702513 h9HYPERLINK l _Toc419702514第6章系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析 PAGEREF _Toc419702514 h 10HYPERLINK l _Toc4197025156.1 系統(tǒng)焊接 PAGEREF _Toc419702515 h 10HYPERLINK l _Toc4197025166.2 誤差及特性分

6、析 PAGEREF _Toc419702516 h 10HYPERLINK l _Toc419702517附錄一：主要程序 PAGEREF _Toc419702517 h 12第1章 緒論1.1 工程簡(jiǎn)介本設(shè)計(jì)介紹了基于單片機(jī)控制的超聲測(cè)距儀的原理：由MSP430單片機(jī)控制定時(shí)器產(chǎn)生超聲波脈沖并計(jì)時(shí)，計(jì)算超聲波自發(fā)射至接收的往返時(shí)間，從而得到實(shí)測(cè)距離。用四位LCD液晶屏顯示距離。整個(gè)硬件電路由超聲波發(fā)射模塊、超聲波接收模塊、單片機(jī)控制模塊、顯示模塊組成。在此根底上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過(guò)硬件和軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)局部附有硬件電路圖、程序流程圖，給出了系統(tǒng)構(gòu)成、電路原理及程序設(shè)計(jì)。

7、此系統(tǒng)具有易控制、可讀性強(qiáng)和流程清晰等優(yōu)點(diǎn)。但穩(wěn)定性有待提高，后續(xù)有待實(shí)現(xiàn)顯示數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)刷新的功能1.2 工程功能目標(biāo)采用單片機(jī)作為主控制器，可實(shí)現(xiàn)低本錢(qián)、高精度、微型化測(cè)距系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn)50cm-300cm的根本指標(biāo)的障礙物距離測(cè)試，能夠?qū)崿F(xiàn)障礙物距離的實(shí)時(shí)顯示，準(zhǔn)確到厘米。當(dāng)被測(cè)距離小于預(yù)設(shè)報(bào)警值是，紅燈亮起，提示距離過(guò)近。在測(cè)距系統(tǒng)中參加蜂鳴器后可以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的距離報(bào)警功能，進(jìn)一步改良成為智能車(chē)倒車(chē)報(bào)警系統(tǒng)。第2章超聲波測(cè)距原理2.1 超聲波簡(jiǎn)介我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會(huì)發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱(chēng)為聲音的頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟?lèi)耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率為2020000赫茲。當(dāng)聲波的振

8、動(dòng)頻率大于20000赫茲或小于20赫茲時(shí)，我們便聽(tīng)不見(jiàn)了。因此，我們把頻率高于20000赫茲的聲波稱(chēng)為超聲波。通常用于醫(yī)學(xué)診斷的超聲波頻率為15兆赫。超聲波具有方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)等特點(diǎn)。可用于測(cè)距，測(cè)速，清洗，焊接，碎石等。在醫(yī)學(xué)，軍事，工業(yè)，農(nóng)業(yè)上有明顯的作用。2.2 超聲波測(cè)距原理超聲波是利用反射的原理測(cè)量距離的，被測(cè)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(cè)量距離時(shí)，將超聲波傳感器對(duì)準(zhǔn)反射物發(fā)射超聲波，并開(kāi)場(chǎng)計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播到達(dá)障礙物后被反射回來(lái)，傳感器接收到反射脈沖后立即停頓計(jì)時(shí)，然后根據(jù)超聲波的傳播速度和計(jì)時(shí)時(shí)間就能計(jì)

9、算出兩端的距離。測(cè)量距離D為式中 c超聲波的傳播速度；超聲波發(fā)射到接收所需時(shí)間的一半，也就是單程傳播時(shí)間。第3章 方案論證3.1 設(shè)計(jì)思路超聲波測(cè)距的原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度為，測(cè)量聲波在發(fā)射后遇到障礙物反射回來(lái)的時(shí)間，根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由于超聲波易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸的優(yōu)點(diǎn)，超聲波測(cè)距儀可應(yīng)用于倒車(chē)提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了了一款基于單片機(jī)的低本錢(qián)、高精度、微型化的超聲波測(cè)距儀。采用單片機(jī)作為主控制器，控制發(fā)射觸發(fā)脈沖的開(kāi)場(chǎng)時(shí)間及脈寬，響應(yīng)回波時(shí)刻并測(cè)量、計(jì)數(shù)發(fā)射至往返的時(shí)間差

10、?？刂飘a(chǎn)生超聲波信號(hào)，通過(guò)輸出引腳輸入至驅(qū)動(dòng)器，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后推動(dòng)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?yōu)?，這種電平變化可以作為單片機(jī)對(duì)接收探頭的接收情況進(jìn)展實(shí)時(shí)監(jiān)控。同時(shí)還控制顯示電路，實(shí)現(xiàn)數(shù)字顯示。3.2 硬件系統(tǒng)構(gòu)造設(shè)計(jì)超聲波測(cè)距儀系統(tǒng)構(gòu)造如下列圖所示。它主要由單片機(jī)、超聲波發(fā)射及接收模塊、LCD顯示電路及電源電路組成。系統(tǒng)主要功能包括：超聲波的發(fā)射、接收，并根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間計(jì)算測(cè)量距離；LED顯示器顯示距離；當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行不正常時(shí)，用復(fù)位電路復(fù)位第4章 主要元件介紹4.1 單片機(jī)MSP430 launchpad M430G2553MSP430 LaunchPad是一款易于使用

11、的閃存編程器和調(diào)試工具，它提供了在 MSP430 超值系列器件上進(jìn)展開(kāi)發(fā)所需的一切內(nèi)容。它提供了具有集成仿真功能的 14/20 引腳 DIP 插座目標(biāo)板，可通過(guò) Spy Bi-Wire2 線(xiàn) JTAG協(xié)議對(duì)系統(tǒng)內(nèi)置的 MSP430 超值系列器件進(jìn)展快速編程和調(diào)試。由于 MSP430 閃存的功耗極低，因此無(wú)需外部電源即可在數(shù)秒內(nèi)擦除閃存并對(duì)其進(jìn)展編程。LaunchPad 將 MSP430 器件與 Code poser Studio 版本 4 或 IAR 嵌入式工作平臺(tái)等集成軟件環(huán)境相連接。MSP430 超值系列器件上的這些 IDE 是免費(fèi)且非受限的軟件。LaunchPad 支持所有采用 14 或

12、 20 引腳 DIP 封裝TI 封裝代碼：N的 MSP430G2* 閃存器件。LaunchPad 還采用用于定制工程和應(yīng)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(shí)現(xiàn)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(kāi)發(fā)。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(guò) USB 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)編程和調(diào)試。4.2 超聲波傳感器HC-SR04接線(xiàn)方式，VCC、trig控制端、 echo接收端、GND模塊工作原理：(1)采用IO觸發(fā)測(cè)距，給至少10u

13、s的高電平信號(hào);(2)模塊自動(dòng)發(fā)送8個(gè)40khz的方波，自動(dòng)檢測(cè)是否有信號(hào)返回；(3)有信號(hào)返回，通過(guò)IO輸出一高電平，高電平持續(xù)的時(shí)間就是 超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間測(cè)試距離=(高電平時(shí)間*聲速(340M/S)/2; 4.3 5110LCD液晶顯示屏NOKIA公司生產(chǎn)的可用于其5110、6150，6100等系列移動(dòng)的液晶顯示模塊。該產(chǎn)品除應(yīng)用于移動(dòng)外，也可廣泛應(yīng)用于各類(lèi)便攜式設(shè)備的顯示系統(tǒng)。Nokia5110是一款經(jīng)典機(jī)型，可能由于經(jīng)典的緣故，舊機(jī)器很多，所以很多電子工程師就把舊機(jī)器的屏幕拆下來(lái)，自己驅(qū)動(dòng)Nokia5110，用于開(kāi)發(fā)的設(shè)備顯示1)性?xún)r(jià)比高， Nokia5110可以顯示15個(gè)漢字

14、，30個(gè)字符。2)接口簡(jiǎn)單，僅四根I/O線(xiàn)即可驅(qū)動(dòng)，LCD1602需11根I/O線(xiàn)，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(shí)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(dòng)設(shè)備第5章 軟件設(shè)計(jì)5.1 主程序流程系統(tǒng)上電后，首先系統(tǒng)初始化，定時(shí)器開(kāi)場(chǎng)定時(shí)，控制超聲波傳感器發(fā)出超聲波，同時(shí)使定時(shí)器開(kāi)場(chǎng)定時(shí)。當(dāng)出發(fā)管腳為低電平時(shí)接收到回波，立即使定時(shí)器停頓工作，保存定時(shí)器的計(jì)數(shù)值。然后根據(jù)傳輸時(shí)間計(jì)算距離計(jì)算出距離后調(diào)用距離顯示子程序，LCD顯示距離。顯示測(cè)量距離定時(shí)器停頓，保存定時(shí)值

15、發(fā)射超聲波，計(jì)時(shí)器翻開(kāi)時(shí)鐘配置系統(tǒng)初始化開(kāi)場(chǎng)顯示測(cè)量距離定時(shí)器停頓，保存定時(shí)值發(fā)射超聲波，計(jì)時(shí)器翻開(kāi)時(shí)鐘配置系統(tǒng)初始化開(kāi)場(chǎng)N接收到反射信號(hào)接收到反射信號(hào)根據(jù)時(shí)間計(jì)算距離根據(jù)時(shí)間計(jì)算距離5.2 子程序設(shè)計(jì)5.2.1 超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序超聲波發(fā)生子程序的作用是通過(guò)P2.2端口發(fā)送超聲波脈沖信號(hào)頻率約40kHz的方波，脈沖寬度為12s左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器T1翻開(kāi)進(jìn)展計(jì)時(shí)。void send_15us()/超聲波發(fā)送15us的高電平 P2OUT&=BIT0; delay_us(20); P2OUT|=BIT0; delay_us(20); P2OUT&=BIT0; while(1)

16、send_15us(); delay(100); 5.2.2 距離計(jì)算子程序當(dāng)前溫度和超聲波往返時(shí)間均測(cè)量出來(lái)后，用C語(yǔ)言根據(jù)公式計(jì)算距離來(lái)編程是比擬簡(jiǎn)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 + 4

17、8; bai = (Distance_test /100) % 10 + 48; qian = (Distance_test /1000) % 10 + 48;5.2.3 液晶顯示程序#define LCD5110_CE_H P1OUT |= 0*80 /5110片選P1.7置位 1#define LCD5110_CE_L P1OUT &= 0*7f /5110片選P1.7復(fù)位 0#define LCD5110_DC_H P1OUT |= 0*40 /5110數(shù)據(jù)命令選擇端P1.6置位 1#define LCD5110_DC_L P1OUT &= 0*bf /5110數(shù)據(jù)命令選擇端P1.6復(fù)位

18、 0#define LCD5110_DIN_H P1OUT |= 0*20 /5110數(shù)據(jù)輸入端P1.5置位 1#define LCD5110_DIN_L P1OUT &= 0*df /5110數(shù)據(jù)輸入端P1.5復(fù)位 0#define LCD5110_CLK_H P1OUT |= 0*10 /5110數(shù)據(jù)命令選擇端P1.4置位 1#define LCD5110_CLK_L P1OUT &= 0*ef /5110數(shù)據(jù)命令選擇端P1.4復(fù)位 0#define LCD5110_BL_H P2OUT |= 0*02 /5110背光控制端P2.1置位 1#define LCD5110_BL_L P2OU

19、T &= 0*fd /5110背光控制端P2.1復(fù)位 0#define LCD5110_RST_H P2OUT |= 0*01 /5110背光控制端P2.0置位 1#define LCD5110_RST_L P2OUT &=0*fe /5110背光控制端P2.0復(fù)位 0#define LCD_CMD 0*00 /八位0#define LCD_DATA 0*ff /八位1e*tern void DELAYms(unsigned int time); /延時(shí)ms函數(shù)e*tern void LCD5110_SET_*Y(char *, char y); /寫(xiě)坐標(biāo)函數(shù)e*tern void LCD51

20、10_Init(void); /屏幕初始化e*tern void LCD5110_Clear(unsigned char L); /去除指定行e*tern void LCD5110_Clear_All(void); /去除全屏e*tern void Write_Char(char c); /寫(xiě)一個(gè)ASCII字符e*tern void Write_String(const char *p); /寫(xiě)字符串第6章 系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析6.1 系統(tǒng)焊接以萬(wàn)用板做載板，將LCD顯示模塊，單片機(jī)控制模塊以及超聲波發(fā)射接收模塊組合在一起。用杜邦線(xiàn)連接各模塊的管腳。6.2 誤差及特性分析根據(jù)超聲波的特性，距離測(cè)

21、量時(shí)必須滿(mǎn)足條件：被測(cè)目標(biāo)必須垂直于超聲波測(cè)距儀。被測(cè)目標(biāo)外表必須平坦。測(cè)量時(shí)在超聲波測(cè)距儀周?chē)鷽](méi)有其他可反射超聲波的物體。因此在測(cè)量過(guò)程中稍不小心就會(huì)接收不到超聲波，而導(dǎo)致沒(méi)有測(cè)量結(jié)果。由于超聲波的往返時(shí)間由單片機(jī)msp430的定時(shí)器T1來(lái)記，定時(shí)器T1工作在方式1，其最大定時(shí)時(shí)間為65.536ms，可得出最大的測(cè)量距離在10m以?xún)?nèi)。且因?yàn)榘l(fā)射功率有限，測(cè)距儀也無(wú)法測(cè)量10m外的物體。在實(shí)際的測(cè)試中3m之內(nèi)有較高的測(cè)量精度。由于程序設(shè)計(jì)的問(wèn)題，在移動(dòng)測(cè)距裝置的過(guò)程中，LCD液晶屏上顯示的數(shù)據(jù)無(wú)法實(shí)時(shí)刷新，需要在測(cè)試時(shí)按下復(fù)位按鍵實(shí)現(xiàn)距離數(shù)據(jù)的刷新。附錄一：主要程序#include#inclu

22、deheader.hchar flag_time = 0;long TIME0 = 0, TIME1 = 0;long Distance_test = 0;long Distance0 = 0;char ge,shi,bai,qian;/時(shí)鐘初始化void CLK_Init(void) if (CALBC1_1MHZ =0*FF | CALDCO_1MHZ = 0*FF) while(1); BCSCTL1 = CALBC1_1MHZ; DCOCTL = CALDCO_1MHZ;/端口初始化void GPIO_Init(void)P1DIR |= BIT4+BIT5+BIT6+BIT7;P2D

23、IR |= BIT0+BIT1;P2DIR &=BIT3; /P2.3作為捕獲輸入P2SEL |= BIT3; /主功能模塊觸發(fā)P2DIR |= BIT2; /P2.2作為觸發(fā)端，設(shè)為輸出 P2OUT &= BIT2; /P2.2輸出低電平P1REN |=BIT3 ; /啟用P1.3內(nèi)部上下拉電阻P1OUT |=BIT3 ; /設(shè)置為上拉電阻P1IES |BIT3; /P1.3為下降沿觸發(fā)中斷P1IE |BIT3; /P1.3中斷允許/定時(shí)器TIME1_A3初始化函數(shù)void TIME1_A3_Init(void)TA1CTL |= TASSEL1 + MC_2; /SMCLK作為時(shí)鐘源，連續(xù)計(jì)數(shù)模式TA1CCTL0 |= CM_3 + CCIS_1 + SCS + CAP + CCIE; /上升沿與下降沿都捕獲，輸入源為CCI0B，同步捕獲模式，使能中斷TA1CCR0=0; const char table1=DISTANCE:; const char table2=CM(+-)1CM;/主函數(shù)int main(void) WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; /關(guān)閉看門(mén)狗定時(shí)器 CLK_Init(); GPIO_Init(); TIME1_A3_Init(); LCD5110_Init(); LCD