本科自主创新设计基于MSP430 launchpad超声波测距系统.doc

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1、本科自主创新设计题目: 基于MSP430_launchpad超声波测距系统 姓 名 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 指导教师 2015年 5月目录第1章 绪论31.1 项目简介31.2 项目功能目标3第2章 超声波测距原理32.1 超声波简介32.2 超声波测距原理4第3章 方案论证43.1 设计思路43.2 硬件系统结构设计4第4章 主要元件介绍54.1 单片机MSP430 launchpad M430G255354.2 超声波传感器HC-SR0464.3 5110LCD液晶显示屏6第5章 软件设计75.

2、1 主程序流程75.2 子程序设计85.2.1 超声波发送子程序及超声波接收中断子程序85.2.2 距离计算子程序85.2.3 液晶显示程序9第6章 系统调试及误差分析106.1 系统焊接106.2 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

3、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 超声波测距原理2.1 超声波简介我们知道，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

4、兹。我们人类耳朵能听到的声波频率为2020000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15兆赫。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

5、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 式中 c超声波的传播速度； 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，

6、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

7、机MSP430 launchpad M430G2553MSP430 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

8、。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-

9、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

10、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，LCD12864需12根。3)速度快，是LCD12864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

11、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。显示测量距离定时器停止，保存定时值发射超声波，计时器打开时钟配置系统初始化开始N接收到反射信号根据时间计算距离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12s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&=

12、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_tes

13、t /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 /51

14、10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 LC

15、D5110_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1extern void DELAYms(unsigned int time); /延时ms函数extern void LCD5110_SET_XY(char x, char y); /写坐标函数ex

16、tern 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

17、性分析根据超声波的特性，距离测量时必须满足条件：被测目标必须垂直于超声波测距仪。被测目标表面必须平坦。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

18、序#include#includeheader.hchar 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)P1DIR |= BIT4+BIT

19、5+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 P2OUT &= BIT2; /P2.2输出低电平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/定时器TIME1_A3初始化函数void TIME1_A3_Init(void)TA1CTL |= TASSEL1 + MC_2;

20、 /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; 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();

21、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，连续计数模式TA1CCTL0 |= CM_3 + CCIS_1 + SCS + CAP + CCIE; /上升沿与下降沿都捕获，

22、 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);