基于MSP430的简易超声波探测仪.doc

单片机原理与接口技术单片机原理与接口技术 课程设计课程设计 题目名称 题目名称 简易超声波测距仪简易超声波测距仪 专业班级 专业班级 测控测控 11011101 班班 学生姓名 学生姓名 学学 号 号 指导教师 指导教师 成绩 评语 指导老师签名 日期 目 录 引言 4 第一章 绪论 1 1 超声波测量原理 4 1 2 系统概述 4 第二章 设计方案与论证 2 1 超声波测距模块 5 2 2 供电模块 5 2 3 显示模块 5 2 4 测温模块 6 第三章 硬件设计 3 1 系统原理方框图 6 3 2 主电路图 7 3 3 I O 口分配 7 3 4 元器件选型 8 3 4 1 主控制芯片 MSP430G2553 8 3 4 2 HC SR04 超声波模块 8 3 4 3 温度传感器 DS18B20 9 3 4 4 稳压芯片 LM1117 9 3 4 5 5110 液晶显示 10 第四章 软件设计 4 1 主流程图及介绍 11 第五章 系统调试 5 1 测距调试 12 第六章 设计心得 12 参考文献 14 附录 1 源程序 15 附录 2 相关照片 28 引言引言 设计一个超声波测距仪 可应用于汽车倒车 建筑施工工地以及一些工业 现场的位置监控 也可用于如液位 井深 管道长度的测量 移动机器人 安全线提示 银行及取款机的一米线提示等场合 要求测量范围在 0 20 4 00m 测量精度 1cm 测量时与被测物体无直接接触 能够清晰稳定 地显示测量结果 第第 1 1 章章 绪论绪论 1 11 1 超声波测量原理超声波测量原理 超声波为直线传播方式 频率高 反射能力强 在空气中传播速度为 340m s 容易控制 受环境影响小 因此采用超生波传感器作为距离探测的 眼睛 用于测距领域的超声波频率为 20kHz 400kHz 的频段 空气介质中常 用为 40kHz 避障系统的超声波测距通常运用超声波的反射原理 采用渡越时 间法 通过测量超声波发射到返回之间的时间间隔来计算距离 由于时间长度 与声音通过的距离成正比关系 当发射超声波传感器发出一个短暂的脉冲波时 记时开始 当接收超声波传感器接收到第一个回波脉冲后 计时立即停止 此 时 记录得到的时间值为 t 那么从超声波发射位置到障碍物之间的实际距离 就可按下式求得 L ct 2 I 式 I 中 L 为超声波发射位置到障碍物之间的实际距离 t 为超声波发生器发出超声波到接收到超声波的时间间隔 1 21 2 系统概述系统概述 此系统为一个简易超声波测距仪 测量 4m 以内的距离 它以 MSP430G2553 为中心控制器 由测距 显示 供电 以及测温部分组成 测距部分采用 HC SR04 模块 显示部分为 5110 液晶显示 系统由两块串联到一起的手机电池供 电 通过两个 1117 稳压芯片把电压转换成 5v 和 3 3v 给各个模块供电 DS18B20 芯片首先测得当前温度 对于超声波测距进行校正 并和温度值一起 在 5110 液晶上进行显示 还可以通过两个按键锁定和解锁液晶 完成对于距离 的测量 考虑到这是一个便携式的设备 系统要尽可能的简化电路以减少功耗 程 序设计也尽可能的减少硬件的工作次数 比如较为复杂温度的测量就是每隔 30s 刷新一次 不仅如此系统的大小还得考虑 合理的安排元件的位置 以减 少板子的大小 第第 2 2 章章 设计方案与论证设计方案与论证 2 12 1 超声波测距模块超声波测距模块 方案一 按照电路图手工焊接相关电路 优点 可以合理安排零件的位置 减少系 统的大小 缺点 调试难度大 并且精度没有保证 最后不予考虑 方案二 使用超声波模块 KS103 测距最大距离 8 米 盲区为最小 1cm 之内 测量 精度平均 3mm 最高达 1mm 而且相当灵敏 具有目前其他同类超声波模块产品所 无法达到的性能优势和质量保障 测量距离 温度 光强 三合一功能 但是 缺点是价格太高 不予考虑 方案三 使用超声波模块 HC SR04 模块 模块特点 HC SR04 超声波测距模块可提 供 2cm 400cm 的非接触式距离感测功能 测距精度可达高到 3mm 模块包括超 声波发射器 接收器与控制电路 综合价格 大小 精度等各方面因素 系统 最后选择此模块座位测距模块 2 22 2 供电模块供电模块 方案一 使用若干节五号干电池供电 由于直流升压芯片相比降压来说要少 并且 在稳压过程中的损耗比降压要大 所以需要 5v 以上的电压供电 干电池每节 1 5v 也就是说需要 4 节干电池 体积较大 并且不能充电 所以不采用此方 案 方案二 使用手机电池供电 手机电池为锂电池 电量大 体积小 要达到 5v 以上 电压只需两块电池串联 并且还可以充电 便于循环使用 两块手机电池串联 之后实际电压为 8 4v 1117 稳压芯片也很便宜 经过两级降压分别输出 5v 和 3 3v 的电压 本系统就是采用这个方案 2 32 3 显示模块显示模块 方案一 1602 液晶显示屏 可以显示两排数字以及字符 但是它所占用的引脚太多 除去供电引脚外还需 12 个引脚 MSP430G2 只有组 8 位 I O 口 所以 1602 不予 考虑 方案二 5110 液晶显示屏可以显示 15 6 个数字或字符 并且还能显示汉字 除去 电源引脚外只需占用 5 个 I O 口即可工作 所以本系统采用此液晶显示 2 42 4 测温模块测温模块 方案一 使用热电阻组成电桥电路 将温度转换成电压值 经过单片机内部的 AD 转 换电路变成数字量 但是电桥电路的平衡由于存在各种漂移不容易调整 并且 电桥持续工作浪费电量 不符合便携式的设计要求 综上不予考虑此方案 方案二 数字化芯片 DS18B20 温度传感器 控制较为简单 并且只需占用一个引脚 集成程度高 休眠时的功率也很小 精度为 0 5 摄氏度 满足本系统的设计要 求 第第 3 3 章章 硬件设计硬件设计 3 13 1 系统原理方框图系统原理方框图 图 3 1 系统原理方框图 3 23 2 主电路图主电路图 图 3 2 主电路图 3 33 3 I OI O 口分配口分配 P1 0 接 DS18B20 P1 1 和 P1 2 分别接 HC RS04 的 Trig 和 Echo 引 脚 P1 3 P1 4 接两个按钮 P1 7 P1 6 P2 5 P2 4 P2 3 接 5110 液晶显示屏 图 3 3 单片机 I O 口分配图 3 43 4 元器件选型元器件选型 3 4 13 4 1 主控制芯片主控制芯片 MSP430G2553MSP430G2553 MSP430G2 系列是德州仪器推出的一款产品 在秉承 MSP430 超低功耗 高集 成度 的优点的同时 具有高性价比的特点 MSP430 单片机片上外围模块 16MHz 主频 16 位 CPU 片上程序存储器 FLASH 512B 1KB 2KB 4KB 8KB 16KB 及 FLASH 控制器 片上随机存储器 SRAM 128B 256B 512B 通用并行输入输出端口 GPIO 4 位 16 位 20 位 24 位 支持电容触摸式 I O 看门狗定时器 WDT 上电复位模块 BOR 多功能通信模块 USI I2C SPI USIC A UART LIN IrDA SPI USIC B I2C 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 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 图 3 4 HC SR04 模块原理图 3 4 33 4 3 温度传感器温度传感器 DS18B20DS18B20 独特的一线接口 只需要一条口线通信 多点能力 简化了分布式温度传感应用 无需外 部元件 可用数据总线供电 电压范围为 3 0 V 至 5 5 V 无需备用电源 测量温度范围为 55 C 至 125 10 C 至 85 C 范围内精度 为 0 5 C 温度传感器可编程的分辨率为 9 12 位 温 度转换为 12 位数字格式最大值为 750 毫秒 用 户可定义的非易失性温度报警设置 由于 DS18B20 是一条口线通信 所以中央 微处理器与 DS18B20 只有一个一条口线连接 为读写以及温度转换可以从数据线本身获得能 量 不需要外接电源 因为每一个 DS18B20 的 包含一个独特的序号 多个 ds18b20s 可以同时存在于 图 3 5 DS18B20 接 线图 1 条总线 这使得温度传感器放置在许多不同的 2 条地方 3 4 43 4 4 稳压芯片稳压芯片 LM1117LM1117 AMS1117 是一个正向低压降稳压器 在 1A 电流下压降为 1 2V AMS1117 有 两个版本 固定输出版本和可调版本 固定输出电压为 1 5V 1 8V 2 5V 2 85V 3 0V 3 3V 5 0V 具有 1 的精度 固定输出电 压为 1 2V 的精度为 2 AMS1117 内部集成过热保护和限流电路 是电池供电和 便携式计算机的最佳选择 图 3 6 1117 稳压模块原理模块 3 4 53 4 5 51105110 液晶显示液晶显示 该模块具有以下特点 1 84x48 的点阵 LCD 可以显示 4 行汉字 2 采用串行接口与主处理器进行通信 接口信号线数量大幅度减少 包括电源 和地在内的信号线仅有 9 条 支持多种串行通信协议 如 AVR 单片机的 I MCS51 的串口模式 等 传输速率高达 4Mbps 可全速写入显示数据 3 可通过导电胶连接模块与印制版 而不用连接电缆 用模块上的金属钩可将 模块固定到印制板上 因而非常便于安装和更换 4 LCD 控制器 驱动器芯片已绑定到 LCD 晶片上 模块的体积很小 5 采用低电压供电 正常显示时的工作电流在 200 A 以下 且具有掉电模式 图 3 7 5110 原理图 第第 4 章章 软件设计软件设计 4 14 1 主流程图主流程图及介绍及介绍 图 4 1 系统软件流程图 程序初始化之后 首先由 DS18B20 为温度赋初值 之后 HC SR04 模块开始 测距 测距时使用的定时器 T0 为模块返回的高脉冲计时 按模块的设计要求 计算出脉冲宽度即可得到声波反射所需时间 得出时间后代入公式测试 距离 高电平时间 声速 340M S 2 并且此时的声速已经经过了温度矫正 以减 少误差 与此同时定时器 T1 一直在定时 每隔 50ms 就会产生一次中断 在中 断程序中标志位每次加 1 当标志位加到 600 时 即一共 30s 时 程序就会刷 新温度值 在 5110 液晶上显示的为距离值 单位 cm 以及温度值 当按键 1 按下时 触发中断改变标志位 使得液晶锁屏 按键 2 按下时触发中断解锁屏幕 由于超声波计数和温度测量时的程序不允许打断 在这两项进行的时候全 局中断关闭 防止打断程序影响结果 第五章第五章 系统调试系统调试 5 15 1 测距调试测距调试 首先将 HC SR04 模块固定 前方放置一个长直尺 单片机中烧入测距程序并循 环此程序 在循环开始处设置断点 通过 CCS 软件自带的单步执行功能在电脑 上显示出测距值 并于直尺上的数值进行对照 在 3cm 之内时测量 实际 值 cm 0 511 52 02 53 03 5 测量 值 cm 无结果2 4 左 右 2 02 22 43 13 7 表 5 1 近距离系统测试结果 在 3cm 之内的程序略有不同 对于数值的显示精确度进行了修改 在 3cm 之外的测量 实际 值 cm 510152030405060 测量 49142029405059 值 cm 表 5 2 远距离系统测试结果 通过结果可得在 2cm 之内时 测距值精确度不高 因为盲区的影响不能实现近 距测量 但是 3cm 之后的测量比较准确 基本可以实现设计要求 第第 6 6 章章 设计心得设计心得 通过此次课程设计首先我学习 HC SR04 超声波测距模块的使用方法 也了 解了很多超声波的应用以及测距的发展历史 另外 DS18B20 的使用是我对于串 行口的数据输出 输入的常用格式有了一定的了解 其次对于 5110 液晶的学习 使得以后再显示应用中有了更多的选择 不需要再进行繁琐的数码管焊接 并 且显示的效果也更好 当然对于其他电路 比如稳压电路也是一种复习 但是 5110 的显示功能很强 这一次只用到了很少的一部分功能 以后还要继续研究 学习 在这次设计工程中 查阅了许多关于便携式设备的资料 了解到当前便携 式设备最主要考虑的一个问题就是功耗问题 由于不能随时充电 对于低功耗 的设计就显得很重要 这方面的研究还有很大的前景等着我们去探索 本系统 的芯片选型就考虑到了这方面的要求 芯片选型就是采用 TI 公司专门为这方面 设计的单片机 不过这款单片机的真正功能在这个系统中并未很好的体现出来 对于它复杂的时钟系统以及各种休眠模式的应用并不多 以后可以继续改进程 序 在制作 编程过程中我学习到细节的重要性 焊接电路版的时候任何小的 接线都会影响整个系统的正常运行 特别是在软件上 有时候一个符号的错误 都会导致整个程序的混乱 所以下次制作一定要细心 减少这种事情的发生 总之 通过此次课程设计 不仅学习到了一些实际应用 也将我们的理论 和实践相结合 取得了不少了收获 参考文献参考文献 1 郭天祥 51 单片机 C 语言教程 入门 提高 开发 拓展全攻略 电子工业出版社 2009 2 沈建华 杨艳琴 MSP430 系列 16 位低功耗原理与应用 清华大学出版 社 2004 3 谭浩强 C 程序设计 第二版 清华大学出版社 2000 4 阎石 数字电子技术基础 第五版 高等教育出版社 2005 5 夏路易 石宗义 电路原理图与电路板设计教程 Protel 99SE 北京希 望电子出版社 2002 6 张迎新 单片机微型计算机 原理 应用及接口技术 第二版 国防 工业出版社 2009 7 康华光 电子技术基础 模拟部分 第五版 高等教育出版社 2005 8 电子发烧网电子论坛 精选文档 供参考 附录附录 1 1 源程序 源程序 主程序函数 include include Display h include Distance h include Temperature h define uint unsigned int define uchar unsigned char int T uint distance main count uchar style void init WDTCTL WDTPW WDTHOLD if CALBC1 1MHZ 0 xFF CALDCO 1MHZ 0 xFF while 1 BCSCTL1 CALBC1 1MHZ DCOCTL CALDCO 1MHZ TA1CTL TASSEL 0 MC 1 TACLR TA1CCR0 1637 TA1CCTL0 CCIE P1DIR BIT2 P1DIR TACTL TASSEL 1 P1DIR P1REN BIT3 BIT4 P1OUT BIT3 BIT4 P1IES BIT3 BIT4 精选文档 供参考 P1DIR BIT6 BIT7 P2DIR BIT3 BIT4 BIT5 void main void init LCD init T Temperature EINT while 1 distance main Distance if style Display distance main T delay cycles 50000 pragma vector PORT1 VECTOR interrupt void Port void delay cycles 10000 if P1IN if P1IN P1IFG pragma vector TIMER1 A0 VECTOR interrupt void Timer A void count if count 600 T Temperature 精选文档 供参考 count 0 超声波测距函数 ifndef DISTANCE H define DISTANCE H int Distance endif DISTANCE H include include Distance h define uint unsigned int define uchar unsigned char int T uint distance times int Distance P1OUT BIT2 delay cycles 10 P1OUT while P1IN TACTL MC 2 TACLR while P1IN TACTL times TAR distance times 332 0 607 T 10 655 36 times 0 return distance 温度测量程序 ifndef TEMPERATURE H 精选文档 供参考 define TEMPERATURE H define uint unsigned int define uchar unsigned char define POUT P1DIR BIT0 define PIN P1DIR define P 1 P1OUT BIT0 define P 0 P1OUT uchar Temperature init void void Temperature write uchar data uchar Temperature read void int Temperature main void int Temperature void endif TEMPERATURE H include include Temperature h define uint unsigned int define uchar unsigned char extern uint T uchar Temperature init void uchar i POUT P 0 delay cycles 600 P 1 delay cycles 60 if P1IN else i 1 delay cycles 480 return i void Temperature write uchar data 精选文档 供参考 uchar i for i 0 i 1 uchar Temperature read void uchar tem 0 i for i 0 i 1 POUT P 0 P 1 PIN if P1IN delay cycles 40 return tem int Temperature main void uchar T L T H int num 0 while Temperature init 精选文档 供参考 Temperature write 0 xcc Temperature write 0 x44 delay cycles 400 while Temperature init Temperature write 0 xcc Temperature write 0 xbe T L Temperature read T H Temperature read if T H num T H T L num num 1 0 625 else num T H 0 n T Temperature main EINT T T 3 5110 液晶显示程序 define uint unsigned int define uchar unsigned char define DC 1 P2OUT BIT5 精选文档 供参考 define DC 0 P2OUT define CE 1 P1OUT BIT6 define CE 0 P1OUT define RST 1 P1OUT BIT7 define RST 0 P1OUT define SDIN 1 P2OUT BIT4 define SDIN 0 P2OUT define SCLK 1 P2OUT BIT3 define SCLK 0 P2OUT void LCD write byte uchar data uchar command void LCD set XY uchar X uchar Y void LCD clear void LCD init void LCD write char uchar c void LCD write Char uchar X uchar Y uchar asc void LCD write English string uchar X uchar Y char s void LCD write nummber 1 uchar X uchar Y uint num void LCD write nummber 2 uchar X uchar Y uint num void Display uint dis int T endif DISPLAY H include include Display h const uchar font6x8 6 0 x00 0 x00 0 x00 0 x00 0 x06 0 x00 sp 32 0 x00 0 x00 0 x00 0 x2f 0 x00 0 x00 33 0 x00 0 x00 0 x07 0 x00 0 x07 0 x00 34 0 x00 0 x14 0 x7f 0 x14 0 x7f 0 x14 0 x00 0 x24 0 x2a 0 x7f 0 x2a 0 x12 0 x00 0 x62 0 x64 0 x08 0 x13 0 x23 0 x00 0 x36 0 x49 0 x55 0 x22 0 x50 0 x00 0 x08 0 x14 0 x22 0 x41 0 x00 0 x00 0 x02 0 x01 0 x51 0 x09 0 x06 0 x00 0 x32 0 x49 0 x59 0 x51 0 x3E 0 x00 0 x7C 0 x12 0 x11 0 x12 0 x7C A 0 x00 0 x7F 0 x49 0 x49 0 x49 0 x36 B 0 x00 0 x3E 0 x41 0 x41 0 x41 0 x22 C 0 x00 0 x7F 0 x41 0 x41 0 x22 0 x1C D 0 x00 0 x7F 0 x49 0 x49 0 x49 0 x41 E 0 x00 0 x7F 0 x09 0 x09 0 x09 0 x01 F 0 x00 0 x3E 0 x41 0 x49 0 x49 0 x7A G 0 x00 0 x7F 0 x08 0 x08 0 x08 0 x7F H 0 x00 0 x00 0 x41 0 x7F 0 x41 0 x00 I 0 x00 0 x20 0 x40 0 x41 0 x3F 0 x01 J 0 x00 0 x7F 0 x08 0 x14 0 x22 0 x41 K 0 x00 0 x7F 0 x40 0 x40 0 x40 0 x40 L 0 x00 0 x7F 0 x02 0 x0C 0 x02 0 x7F M 0 x00 0 x7F 0 x04 0 x08 0 x10 0 x7F N 0 x00 0 x3E 0 x41 0 x41 0 x41 0 x3E O 0 x00 0 x7F 0 x09 0 x09 0 x09 0 x06 P 0 x00 0 x3E 0 x41 0 x51 0 x21 0 x5E Q 0 x00 0 x7F 0 x09 0 x19 0 x29 0 x46 R 精选文档 供参考 0 x00 0 x46 0 x49 0 x49 0 x49 0 x31 S 0 x00 0 x01 0 x01 0 x7F 0 x01 0 x01 T 0 x00 0 x3F 0 x40 0 x40 0 x40 0 x3F U 0 x00 0 x1F 0 x20 0 x40 0 x20 0 x1F V 0 x00 0 x3F 0 x40 0 x38 0 x40 0 x3F W 0 x00 0 x63 0 x14 0 x08 0 x14 0 x63 X 0 x00 0 x07 0 x08 0 x70 0 x08 0 x07 Y 0 x00 0 x61 0 x51 0 x49 0 x45 0 x43 Z 0 x00 0 x00 0 x7F 0 x41 0 x41 0 x00 0 x00 0 x55 0 x2A 0 x55 0 x2A 0 x55 55 0 x00 0 x00 0 x41 0 x41 0 x7F 0 x00 0 x00 0 x04 0 x02 0 x01 0 x02 0 x04 0 x00 0 x40 0 x40 0 x40 0 x40 0 x40 0 x00 0 x00 0 x01 0 x02 0 x04 0 x00 0 x00 0 x20 0 x54 0 x54 0 x54 0 x78 a 0 x00 0 x7F 0 x48 0 x44 0 x44 0 x38 b 0 x00 0 x38 0 x44 0 x44 0 x44 0 x20 c 0 x00 0 x38 0 x44 0 x44 0 x48 0 x7F d 0 x00 0 x38 0 x54 0 x54 0 x54 0 x18 e 0 x00 0 x08 0 x7E 0 x09 0 x01 0 x02 f 0 x00 0 x18 0 xA4 0 xA4 0 xA4 0 x7C g 0 x00 0 x7F 0 x08 0 x04 0 x04 0 x78 h 0 x00 0 x00 0 x44 0 x7D 0 x40 0 x00 i 0 x00 0 x40 0 x80 0 x84 0 x7D 0 x00 j 0 x00 0 x7F 0 x10 0 x28 0 x44 0 x00 k 0 x00 0 x00 0 x41 0 x7F 0 x40 0 x00 l 0 x00 0 x7C 0 x04 0 x18 0 x04 0 x78 m 0 x00 0 x7C 0 x08 0 x04 0 x04 0 x78 n 0 x00 0 x38 0 x44 0 x44 0 x44 0 x38 o 0 x00 0 xFC 0 x24 0 x24 0 x24 0 x18 p 0 x00 0 x18 0 x24 0 x24 0 x18 0 xFC q 0 x00 0 x7C 0 x08 0 x04 0 x04 0 x08 r 0 x00 0 x48 0 x54 0 x54 0 x54 0 x20 s 0 x00 0 x04 0 x3F 0 x44 0 x40 0 x20 t 0 x00 0 x3C 0 x40 0 x40 0 x20 0 x7C u 0 x00 0 x1C 0 x20 0 x40 0 x20 0 x1C v 0 x00 0 x3C 0 x40 0 x30 0 x40 0 x3C w 0 x00 0 x44 0 x28 0 x10 0 x28 0 x44 x 精选文档 供参考 0 x00 0 x1C 0 xA0 0 xA0 0 xA0 0 x7C y 0 x00 0 x44 0 x64 0 x54 0 x4C 0 x44 z 0 x14 0 x14 0 x14 0 x14 0 x14 0 x14 horiz lines void LCD write byte uchar data uchar command uchar i CE 0 if command 0 DC 0 else DC 1 for i 0 i 8 i if data else SDIN 0 SCLK 0 data 1 SCLK 1 CE 1 void LCD set XY uchar X uchar Y LCD write byte 0 x40 Y 0 LCD write byte 0 x80 X 0 void LCD clear uchar i j LCD set XY 0 0 for i 0 i 6 i for j 0 j 84 j LCD write byte 0 x00 1 精选文档 供参考 void LCD init P2DIR 0XFF RST 0 RST 1 CE 0 CE 1 LCD write byte 0X21 0 LCD write byte 0XC8 0 LCD write byte 0X06 0 LCD write byte 0X13 0 LCD write byte 0X20 0 LCD clear LCD write 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