本科自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)基于MSP430 launchpad超聲波測距系統(tǒng)

1、本科自主創(chuàng)新設(shè)計(jì)本科自主創(chuàng)新設(shè)計(jì) 題目題目: : 基于基于 msp430_launchpadmsp430_launchpad 超聲波測距系統(tǒng)超聲波測距系統(tǒng) 姓姓 名名 學(xué)學(xué) 院院 電子工程學(xué)院電子工程學(xué)院 專專 業(yè)業(yè) 電子信息科學(xué)與技術(shù)電子信息科學(xué)與技術(shù) 班班 級級 2013211202 學(xué)學(xué) 號號 2013210849 班內(nèi)序號班內(nèi)序號 指導(dǎo)教師指導(dǎo)教師 2015 年年 5 月月 目錄 第第 1 1 章章 緒論緒論.3 1.1 項(xiàng)目簡介.3 1.2 項(xiàng)目功能目標(biāo).3 第第 2 2 章章 超聲波測距原理超聲波測距原理.3 2.1 超聲波簡介.3 2.2 超聲波測距原理.4 第第 3 章章 方案

2、論證方案論證.4 3.1 設(shè)計(jì)思路.4 3.2 硬件系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì).4 第第 4 章章 主要元件介紹主要元件介紹.5 4.1 單片機(jī) msp430 launchpad m430g2553.5 4.2 超聲波傳感器 hc-sr04.6 4.3 5110lcd 液晶顯示屏.6 第第 5 章章 軟件設(shè)計(jì)軟件設(shè)計(jì).7 5.1 主程序流程.7 5.2 子程序設(shè)計(jì).8 5.2.1 超聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序聲波發(fā)送子程序及超聲波接收中斷子程序.8 5.2.2 距離計(jì)算子程序.8 5.2.3 液晶顯示程序.9 第第 6 章章 系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析系統(tǒng)調(diào)試及誤差分析.10 6.1 系統(tǒng)焊接.10 6.

3、2 誤差及特性分析.10 附錄一：主要程序附錄一：主要程序.12 第 1 章 緒論 1.1 項(xiàng)目簡介 本設(shè)計(jì)介紹了基于單片機(jī)控制的超聲測距儀的原理：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。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)了系統(tǒng)的總體方案，最后通過硬件和 軟件實(shí)現(xiàn)了各個(gè)功能模塊。相關(guān)部分附有硬件電路圖、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)。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)

4、實(shí)時(shí)刷新的功能 1.2 項(xiàng)目功能目標(biāo) 采用單片機(jī)作為主控制器，可實(shí)現(xiàn)低成本、高精度、微型化測距系統(tǒng)。實(shí)現(xiàn) 50cm- 300cm 的基本指標(biāo)的障礙物距離測試，能夠?qū)崿F(xiàn)障礙物距離的實(shí)時(shí)顯示，精確到厘米。 當(dāng)被測距離小于預(yù)設(shè)報(bào)警值是，紅燈亮起，提示距離過近。在測距系統(tǒng)中加入蜂鳴器 后可以實(shí)現(xiàn)預(yù)設(shè)的距離報(bào)警功能，進(jìn)一步改進(jìn)成為智能車倒車報(bào)警系統(tǒng)。 第 2 章 超聲波測距原理 2.1 超聲波簡介 我們知道，當(dāng)物體振動(dòng)時(shí)會發(fā)出聲音?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱為聲音的 頻率，它的單位是赫茲。我們?nèi)祟惗淠苈牭降穆暡l率為 2020000 赫茲。當(dāng)聲波 的振動(dòng)頻率大于 20000 赫茲或小于 20 赫茲時(shí)

5、，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(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)?？捎糜跍y距，測速，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(shí)，將超聲波傳感器對準(zhǔn)反射物發(fā)射超聲波，并 開始計(jì)時(shí)，超聲波在空氣中傳播到達(dá)障礙物后被反射回來，傳感器接收到反射脈沖后 立即停止計(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)算出兩端

6、的距離。測量 距離 d 為 ctd 2 1 式中 c超聲波的傳播速度； t 2 1 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(fā)射后 遇到障礙物反射回來的時(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、與被測量物體不需要直接 接觸的優(yōu)點(diǎn)，超聲波測距儀可應(yīng)用于倒車提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場等的距離測量。 本實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)并制作了了一款基于單片機(jī)的低成本、高精度、微型化的超聲波測距儀。 采用單片機(jī)作為主控制器，控制發(fā)射觸發(fā)脈沖的開始

7、時(shí)間及脈寬，響應(yīng)回波時(shí)刻并測 量、計(jì)數(shù)發(fā)射至往返的時(shí)間差?？刂飘a(chǎn)生超聲波信號，通過輸出引腳輸入至驅(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 為“0” ，這種電平變化可以作為單片機(jī)對接收探頭的接收情況進(jìn)行實(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)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 超聲波測距儀系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如下圖所示。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： 1)超聲波的發(fā)射、接收，并根據(jù)計(jì)時(shí)時(shí)間計(jì)算測量距離； 2)led 顯示器顯示距離； 3)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

8、 單片機(jī) msp430 launchpad m430g2553 msp430 launchpad 是一款易于使用的閃存編程器和調(diào)試工具，它提供了在 msp430 超值系列器件上進(jìn)行開發(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 spy bi-wire（2 線 jtag）協(xié)議對系統(tǒng)內(nèi)置的 msp430 超值系列器件進(jìn)行快速編程和調(diào) 試。由于 msp430 閃存的功耗極低，因此 無需外部電源即可在數(shù)秒內(nèi)擦除閃存并對 其進(jìn)行編程。launchpad 將 msp430 器件 與 code composer studio 版本 4 或 iar 嵌入式工作平臺

9、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 20 引腳 dip 封裝（ti 封裝 代碼：n）的 msp430g2xx 閃存器件。 launchpad 還采用用于定制項(xiàng)目和應(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 usb 實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)系統(tǒng)內(nèi)編程

10、和調(diào)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(fā)測距，給至少 10us 的高電平信號; (2)模塊自動(dòng)發(fā)送 8 個(gè) 40khz 的方波，自動(dòng)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(xù)的時(shí)間就是 超聲波從發(fā)射到返回的時(shí)間測試距離=(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)電話的液晶顯示模塊。 該產(chǎn)品除應(yīng)用于移動(dòng)電話外，也可廣泛應(yīng)用于 各類便攜式設(shè)備

11、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， 自己驅(qū)動(dòng) nokia5110，用于開發(fā)的設(shè)備顯示 1) 性價(jià)比高， nokia5110 可以顯示 15 個(gè) 漢字，30 個(gè)字符。 2) 接口簡單，僅四根 i/o 線即可驅(qū)動(dòng)， 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(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

12、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)器開始定時(shí)，控制超聲波傳感器發(fā)出超聲波， 同時(shí)使定時(shí)器開始定時(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)器停止工作， 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。 n 開始 系統(tǒng)初始化 時(shí)鐘配置 發(fā)射超聲波，計(jì)時(shí)器打開 接收到反射信號 定時(shí)器停止，保存定時(shí)值 根據(jù)時(shí)間計(jì)算距離 顯示測量距離 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 p2.2 端口發(fā)送超聲波脈沖信號（頻率約 40

13、khz 的 方波） ，脈沖寬度為 12s 左右，同時(shí)把計(jì)數(shù)器 t1 打開進(jìn)行計(jì)時(shí)。 void send_15us()/超聲波發(fā)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(jì)算子程序 當(dāng)前溫度和超聲波往返時(shí)間均測量出來后，用 c 語言根據(jù)公式計(jì)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 +

14、 (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 液晶顯示程序 #define lcd5110_ce_h p1out |= 0 x80 /5110 片選 p1.7 置位 1 #define l

15、cd5110_ce_l p1out /延時(shí) ms 函數(shù) extern void lcd5110_set_xy(char x, char y); /寫坐標(biāo)函數(shù) 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); /寫一個(gè) ascii 字符 extern void write_string(const char *p); /

16、寫字符串 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，距離測量時(shí)必須滿足條件： 被測目標(biāo)必須垂直于超聲波測距儀。 被測目標(biāo)表面必須平坦。 測量時(shí)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(dǎo)致沒有測量結(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，可得出最大的測量距離在 10m 以內(nèi)。且因?yàn)?/p>

17、發(fā)射 功率有限，測距儀也無法測量 10m 外的物體。在實(shí)際的測試中 3m 之內(nèi)有較高的測量 精度。由于程序設(shè)計(jì)的問題，在移動(dòng)測距裝置的過程中，lcd 液晶屏上顯示的數(shù)據(jù)無 法實(shí)時(shí)刷新，需要在測試時(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 ge,shi,bai,qian; /時(shí)鐘初始化 void clk_init(void) if

18、 (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; p2dir |= bit0+bit1; p2dir /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 /p2.2 輸出低電平 p1ren |=bit3 ; /啟用 p1.3 內(nèi)部上下拉電

19、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)閉看門狗定時(shí)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(shí)器 timer1_a ccr0 中斷服務(wù)函數(shù) #