基于单片机的超声波测距仪设计与实现

1、编 号：桂林理工大学博文管理学院实习实训课程指导教程单片机应用实践电子设计与应用实践基于单片机的超声波测距仪设计与实现2015 年9月摘 要由于超声波的指向性强，能量消耗缓慢，在介质中转播的距离较远，因而超声波 经常用于距离的测量，如测距仪和物体位置测量仪等都可以通过超声波来实现。该系统介绍了一种基于 MSP430单片机的超声波脉冲测距预警倒车雷达系统。该 系统以空气中超声波的传播速度为确定条件，利用反射超声波测量待测距离。并且描 述了系统研制的理论基础，超声波传感器等部分的电路设计以及使用了性能优良的单 片机对系统起到了积极的作用。关键词： 单片机；测距；超声波2101010附录1电路设计原

2、理图（参考）11目录1项目要求42项目分析和系统设计 43硬件设计43.1单片机选型模块53.2 SDM-IO集成模块53.3 1602液晶显示模块 63.4系统电源64软件设计64.1主程序65系统调试75.1硬件调试75.2程序调试85.3联合调试6项目演练7项目总结19错误！未定义书签。12附录2 PCB设计原理图（参考）附录3关键程序（参考）基于单片机的超声波测距仪设计与实现1项目要求本系统利用MSP430单片机为核心器件，外加超声波接收、发射电路和报警电路，用动 态扫描法实现LCD1602数字显示，完成超声波测距及报警功能。该系统主要实现的功能如下：1. 测量与被测物体之间的距离，采

3、集室内温湿度（用于声速的温湿度补偿）；2. 采用液晶动态显示与被测物体之间的距离及温湿度等；3. 设置距离阈值，当超过此值时蜂鸣器会发出报警信号，且距离越近发出的声音的频率越高，当与障碍物之间的距离超过最小距离时，红色LED会发亮，实现报警；2项目分析和系统设计由单片机向Trig管脚输入一个10uS以上的高电平，可触发模块测距。接外 部电路的Echo端，当测距结束时，此管脚会输出一个高电平，电平宽度为超声 波往返时间之和，在通过单片机 340M/S乘以往返时间除以 2得到了数据通过 1602显示出来，得数据后在判断语句if状态下为以下三种情况时会使 P2.5端 口输出一个高电平使蜂鸣器发出报警

4、：当小于等于1米大于0.6米时；当小于等于0.6米到大于0.3米时；当小于0.3米时。3硬件设计本系统利用MSP43C单片机为核心加上外部自己设计的超声波接收和发射电 路，完成超声波测距及报警功能，在可能的情况下，将测量距离提高到1m以上， 精度控制在5%以内，当距离在相应范围内时，蜂鸣器会发出一定频率的报警声， 从而实现距离报警功能。硬件电路系统框图如图3-1 :蜂鸣器图3.1系统结构框图3.1单片机选型模块基于名为Launch Pad MSP-EXP430G低成本实验板是一款适用于 TI最新MSP430G2XXX犀利产品的完整开发解决方案。基于 USB的集成型仿真器可提供 全系列MSP43

5、0G2XX器件开发应用所必备的所有软件、硬件。Lunch PadM有集 成的DIP目标插座，可支持多达20个引脚，从而使MSP430Value Line器件能够 轻松插入LaunchPad实验板电路。VCCPIOHTvcc PI OLED P1.1RXD P1.2TXDPl JPi.5 PM Pl iPJ 2卫丄2d55T3S；:飞PN飞R3-*T7Ttn&p4-it.2II1LS17 test16 rst.1L5 P旷U P16 DIN13 P2S DC11P2? RST72-T14、丄1 Qk2.22.PEPPH图3.2单片机选型模块图3.2 SDM-IO集成模块采用市场上卖的集成模块 S

6、DM-IO,该模块只需Trig端口发出一个超过10us 的低电平，然后将Trig端的电平拉高，此时在模块内部会自动发出8个40kHz的超声波脉冲。发射出的超声波经障碍物反射回来后，Echo端口会输出一个宽度为150us的负脉冲，并由高电平变为低电平，从Trig端口的高电平到Echo端口的低电平之间的时间就是超声波由发送到反射被接收这段时间3.3 1602液晶显示模块该频率计显示选用1602来进行显示，1602字符型LCD通常有14条引脚线 或16条引脚线的LCD,多出来的2条线是背光电源线，VCC（15脚）和地线GND（16 脚），其控制原理与14脚的LCD完全一样。CD1图3.4 1602显

7、示电路3.4系统电源整个电路采用USB电源，为所有的USB外设提供了单一的易于使用的标准 的连接类型，简化了 USB外设的设计。整个的USB的系统只有一个端口和一个 中断节省了系统资源。4软件设计4.1主程序本系统整体工作主要由单片机程序控制实现，其工作过程为：利用MSP430单片机加上外部自己设计的超声波接收和发射电路， 完成超声波测距及报警功能， 在可能的情况下，将测量距离提高到1m以上，精度控制在5鸠内，当距离在相 应范围内时，蜂鸣器会发出一定频率的报警声，从而实现报警功能。系统程序框图如图4-1所示:开始5系统调试本单片机的温度控制系统的设计分为硬件电路设计和软件设计两个部分，因此调试

8、也分成两部分进行调试。5.1硬件调试主要根据系统框图和硬件原理设计进行原理的绘制、各参数的设置、电路板 的制作，以及元器件的焊接等。具体如下：5.1.1各单元电路，确认各单元电路链接无误，尤其是关键元器件，一定要接保护电阻。（1）在样机加电之前，首先用万用表等工具，根据硬件电器原理图和装配 图仔细检查样机线路的正确性，并核对元器件的型号、规格和安装是否符合要求。 应特别注意电源的走线，防止电源之间的短路和极性错误， 电源连接是否正确测 试LCD显示屏是否有输出，LCD显示屏上的温度的显示是否符合；（2）运用MSP43（单片机中简单的I/O 口功能，优异在检查硬件是否正常工 作时先检测单片机本身

9、的I/O 口设置，可以先不连接外部电路，使用单片机本身 I/O 口，测试程序是否正确，以免在软件调试中引起不必要的麻烦。5.1.2 PCB设计注意事项：在进行PCB设计时，必须遵守PCB设计的一般原则，并注意其要求。（1 ）此系统采用的电阻和电容较多，注意在画PCB时注意各器件的封装,对照使用的实物选取封装，保证焊接硬件的正确性。（2）此系统采用光敏电阻及较大的极性电容，介于成本的原因，采用的封 装是是直插式的，在PCB设计时特别注意其大小位置。（3）根据电路的模块布局，这样便于在出现问题时进行检查，尤其注意 MSP43C单片机系统中I/O 口是否设置正确。5.2程序调试此程序设计中仅使用了

10、MSP43C单片机系统中I/O 口资源，调试过程中，主 要使用寄存器窗口，以及设置断点，观察系统程序主要实现对采集来的模拟信号 进行模数转换，并对数字信号进行液晶显示，所以程序有采集模拟信号、DA转换和液晶显示三部分；在中断子程序设置断点，判断运行是否正确。在调试过程 中，由局部到整体，判断程序可能出现的问题，认真分析逻辑，实现要求的功能， 在简化程序。5.2.1 CCSV5的打开步骤（1）右键CodeComposerStudio v5快捷方式，左键打开。会出现如图5-1所示界面：图 5-1 Code Composer Studio v5 软件加载界面(2)加载完毕之后会有如图5-2所示界面出

11、现:VfJdwiieI界 Ctt M Ti FkMaBi*Cwh 1声网际Fib EAi心4 眄峠g IW Jpu UM a* l-tar* *辛 p * 口 图 5-2 Code Composer Studio v5软件打开界面(3)选择 Project-lmport Existing CCS Eclipse Project，导入程序文件夹中的工程;具体操作如图5-3 :* CCS Edit * Tl Resource Explorer-Code Composer Studio File Edit View Navigate | Project I Run Scripts WindowHel

12、pD Project Explorer 茨Tl Resource Explorer 驚Packages:AllF:i New CCS PrajertCCS Example Projects;菲 InrfiQirt OCSrqerts54lKt Exi5tiftf CCS Eclipse Preset.dw1 a dirKdary 1a th lar -rnaGn C5i Edipw pr&ircftt-Build AllBuild ConfigurationsBuild ProjectBuild Working Set Clean.Build Autom aticall Sho*v Build

13、 Settings,Ctrl+BErvh.dirrlcry:O SdKi flkiDiacovrd prcjKli:AlRrlulhlAdd Files-r,|npy prcjKftt jnlE Hrarpar.QEmpurl rnenced pnqjiMl5rj impQit Existing CC& Eclipse Project Import Legacy CCSv3r3 ProjectProperties程序导入步骤图图 5-3 Code Composer Studio v55.3联合调试整个系统的软硬件都完成后，需要进行联合调试，主要是针对系统设定的功 能能否完成和完善进行调试。图5

14、.4联合调试图6项目演练对于本设计，尚可以进一步进行如下设想：基于MSP43单片机的超声波物 位及流量监控系统设计思路如下：利用超声波在空气中的可传播性及确定的传播速度，通过实时测量超声波在空气中的传播时间，根据时间和速度相乘为距离原理，设计了一种基于MSP43金 片机的超声波测距系统。系统通过实时检测汽车尾部与障碍物的距离，并根据设定的距离值由蜂鸣器发出不同频率的警报信息反馈给司机，对正常驾驶行车或倒车安全将起到至关重要的作用。该测距系统最大测量距离6.5米,精确度可达15cm。7项目总结此系统单片机具有集成度高，通用性好，功能强，特别是体积小，重量轻， 耗能低，可靠性高，抗干扰能力强和使用

15、方便等独特优点，在数字、智能化方面 有广泛的用途。利用MSP430单片机加上外部自己设计的超声波接收和发射电路， 完成超声波测距及报警功能，在可能的情况下，将测量距离提高到1m以上，精度控制在5%以内，当距离在相应范围内时，蜂鸣器会发出一定频率的报警声， 从而实现报警功能。但仍有不足，对于准确性来讲距离范围还是太小。附录1电路设计原理图（参考）LCDP2Headei 9屈-.弓 _ n_rkl 二日土 OCJAuZ m 電jr 仁 二！ ：p. 口 厂 匹 ir kjr | P5H?nd?r 4FIZrj t3 ? =Heidel -1Pl附录2 PCB设计原理图（参考）附录 3关键程序（参考

16、）/* main.c*/#include#include#includelcd1602.h#defineCPU_F 1100000#definedelaynms(x) _delay_cycles(#definedelaynus(x) _delay_cycles(#defineTRIG BIT3#defineUS_OUT P2OUT#defineUS_DIR P2DIR#defineECHO BIT4;#defineUS_IE P2IE#defineUS_IES P2IES#defineUS_SEL P2SELunsignedint pwm_wide;unsignedint pwm_start;

17、unsignedint pwm_end;long )( double )CPU_F*x/1000.0) long )( double )CPU_F*x/1000000.0)double pwm_time; double distance; char str16;char * DoubleToString char str140;int j=0,k,i;i = (int )d;while (i0)str1j+ = i%10+i /= 10;for (k=0;kj;k+) strk = str1j-1-k; strj+ = . ; d -= (int )d;for (i=0;i10;i+)( do

18、uble d, char * str)0/d *= 10;strj+ = (int )d+ Od -= ( int )d;while (str-j=O);str+j =O;return str; void main ()WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD; / Stop watchdog LCDni t();US_DIR|=TRIG;US_OUT|=TRIG;US_SEL|=ECHO;TA1CTL=TASSEL_2+MC_2;TA1CCTL2=CAP+CM_3+CCIS_0+SCS+CCIE; _EINT();dela ynm s(1);LCD_write_stri ng(0,0

19、,Dista nce:(m) );dela ynm s(1);while (1)US_OUT|=TRIG;delay nus(24);US_OUT&=TRIG;un sig nedint x,y;dela ynm s(25);pwm_time=1.12826e-6*pwm_wide;dista nce=pwm_time*340/2.0;double )distance,str);dela ynm s(1);LCD_write_stri ng(0,1,DoubleToStri ng(dela ynm s(200);#pragma vector=TIMER1_A1_VECTORinterruptvoid Timer_A (void )switch (TA1IV)case 2: break ;case 4:if (TA1CCTL2&CCI)pwm_start