三維超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

賈 強(qiáng)

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350)

三維超聲波測距儀的設(shè)計(jì)

賈 強(qiáng)

(天津現(xiàn)代職業(yè)技術(shù)學(xué)院 天津300350)

三維超聲波測距儀由電源電路、數(shù)碼管顯示電路、搖桿信號(hào)采集電路、舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路、超聲波模塊、舵機(jī)云臺(tái)以及 MSP430單片機(jī)系統(tǒng)等幾部分組成。經(jīng)實(shí)際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價(jià)比。

MSP430單片機(jī) 超聲波 舵機(jī) 搖桿

0 引 言

三維超聲波測距儀是一種傳統(tǒng)實(shí)用的非接觸測量儀器，與激光、渦流和無線電測距方法相比，具有不受外界光及電磁場等因素影響的優(yōu)點(diǎn)，在比較惡劣的環(huán)境中也具有一定的適應(yīng)能力，比如有毒或腐蝕性化學(xué)物質(zhì)液面高度的測量或高速公路上快速行駛汽車之間的距離等。此外，三維超聲波測距儀結(jié)構(gòu)簡單、成本低，在工業(yè)控制、建筑測量、機(jī)器人定位方面得到了廣泛的應(yīng)用。

目前市面上常見的超聲波測距系統(tǒng)價(jià)格昂貴、體積過大且精度不高，在一些中小規(guī)模的應(yīng)用領(lǐng)域中難以得到推廣。為解決這一系列難題，本文設(shè)計(jì)了一款基于 MSP430單片機(jī)的低成本、高精度、微型化的超聲波測距儀。

1 三維超聲波測距儀的原理

發(fā)射器發(fā)出的超聲波以速度 v在空氣中傳播，在到達(dá)被測物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為 t，由S＝vt/2即可計(jì)算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v與溫度有關(guān)。在使用時(shí)，如果溫度變化不大，則可認(rèn)為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應(yīng)該通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒右孕Ｕ?/p>

本設(shè)計(jì)的優(yōu)點(diǎn)在于超聲波的明顯特征是方向性好、穿透性強(qiáng)，尤其是在光不透明的固體中，碰到雜質(zhì)或分界面就有顯著的反射。用超聲波測距離是由測量發(fā)射的超聲波與接收到被測物體反射的回波之間的時(shí)間差來確定的。

2 設(shè)計(jì)方案

2.1 方案論證

2.1.1 方案1：數(shù)字電路實(shí)現(xiàn)

通過數(shù)字電路的一些編碼和解碼特性來設(shè)計(jì)。該方案的精確度不高，容易出現(xiàn)一些不良因素。數(shù)字電路雖然集成大于模擬電路，但控制并不方便，因此不適合本設(shè)計(jì)的要求。

2.1.2 方案2：單片機(jī)實(shí)現(xiàn)

單片機(jī)是一種集成電路芯片，是采用超大規(guī)模集成電路技術(shù)把具有數(shù)據(jù)處理能力的中央處理器CPU、隨機(jī)存儲(chǔ)器RAM、只讀存儲(chǔ)器ROM、多種I/O口和中斷系統(tǒng)、定時(shí)器/計(jì)數(shù)器等功能(可能還包括顯示驅(qū)動(dòng)電路、脈寬調(diào)制電路、模擬多路轉(zhuǎn)換器、A/D轉(zhuǎn)換器等電路)集成到一塊硅片上構(gòu)成的一個(gè)小而完善的微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)。單片機(jī)從 20世紀(jì) 80年代的4位、8位單片機(jī)，發(fā)展到現(xiàn)在300,M的高速單片機(jī)。它具有受集成度限制、片內(nèi)存儲(chǔ)器容量較小、一般內(nèi)ROM在8,KB以下、可靠性高、易擴(kuò)展、控制功能強(qiáng)、易于開發(fā)等特點(diǎn)。

2.1.3 方案的比較

方案1的設(shè)計(jì)電路較為繁瑣；方案2的單片機(jī)具有電路簡單、方便、成本低等優(yōu)點(diǎn)，便于使用，因此本設(shè)計(jì)采用MSP430單片機(jī)實(shí)現(xiàn)。

2.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

此設(shè)計(jì)由數(shù)碼管模塊、超聲波模塊、舵機(jī)模塊、遙桿電位器、電源電路和 MSP430核心板構(gòu)成，電源電路提供驅(qū)動(dòng)電路所需的5,V電源；數(shù)碼管顯示電路由單片機(jī)直接控制；搖桿信號(hào)采集電路由搖桿電位器及AD信號(hào)分別控制舵機(jī)的橫向及縱向運(yùn)轉(zhuǎn)；舵機(jī)驅(qū)動(dòng)電路由單片機(jī)脈沖信號(hào)電路構(gòu)成，超聲波模塊由超聲波測距傳感器及信號(hào)處理電路構(gòu)成；舵機(jī)云臺(tái)為安裝舵機(jī)及超聲波模塊的機(jī)構(gòu)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖 1所示。

圖1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)圖Fig.1 System structural design drawing

3 主要元器件簡介

3.1 主芯片MSP430

MSP430系列單片機(jī)是一個(gè) 16位的單片機(jī)，采用了精簡指令集(RISC)結(jié)構(gòu)，具有豐富的尋址方式(7種源操作數(shù)尋址、4種目的操作數(shù)尋址)、簡潔的27條內(nèi)核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內(nèi)數(shù)據(jù)存儲(chǔ)器都可參加多種運(yùn)算；還有高效的查表處理指令。這些特點(diǎn)保證了可編制出高效率的源程序。

3.2 電源

開發(fā)板使用DC 5,V的外部供電，跳線J3實(shí)現(xiàn)了開關(guān)功能。電源接通后D6的LED點(diǎn)亮。

3.3 復(fù)位按鍵

S13為復(fù)位按鍵。按下復(fù)位按鈕，即可將程序復(fù)位，從頭開始執(zhí)行。

3.4 鍵盤

開發(fā)板設(shè)有 12個(gè)按鍵，為 3×4的行列掃描鍵盤。使用P3.0到P3.7端口，P3.0、P3.1、P3.2為行線，P3.4、P3.5、P3.6、P3.7為列線。列線分別由上拉電阻拉到 VCC，在行線與列線的每一個(gè)交接處有一個(gè)按鍵，按鍵的兩端分別接在行線和列線上。如果有鍵按下，則與之相連的行線與列線被連通，即可檢測按鍵。

3.5 LCD顯示

LCD采用的是12,864點(diǎn)陣型液晶顯示屏。

3.6 LED

P9.0、P9.1、P9.2、P9.3、P9.4 口接有 LED，設(shè)置各口為輸出高電平時(shí)LED點(diǎn)亮，低電平時(shí)熄滅。

3.7 擴(kuò)展IO口

開發(fā)板兩側(cè)的雙排插針。

4 硬件電路設(shè)計(jì)

4.1 MSP430核心板及下載口的原理圖(見圖2)

4.2 電源電路(見圖3)

4.3 數(shù)碼管顯示電路(見圖4)

4.4 搖桿電位器、舵機(jī)和超聲波接口電路圖(見圖5)

5 軟件設(shè)計(jì)(見圖6)

圖6 主程序流程圖及中斷流程圖Fig.6 Main program flow chart and interruption flow chart

6 系統(tǒng)框圖(見圖7)

圖7 系統(tǒng)框架圖Fig.7 System framework diagram

三維超聲波測距儀的系統(tǒng)模塊框圖主要描述了三維超聲波測距儀的 7大組成模塊以及模塊之間的相互關(guān)系。搖桿的電壓通過單片機(jī)的核心芯片進(jìn)行采集然后傳給舵機(jī)，超聲波模塊通過核心芯片處理將測得的距離用數(shù)碼管顯示出來。

7 結(jié) 論

利用單片機(jī)設(shè)計(jì)的測距儀便于操作、讀數(shù)直觀。經(jīng)實(shí)際測試證明，該類測距儀工作穩(wěn)定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低，具有良好的性價(jià)比。由于該系統(tǒng)中鎖相環(huán)鎖定需要一定時(shí)間，測得的距離有誤差，在汽車?yán)走_(dá)應(yīng)用中可忽略不計(jì)；但在精度要求較高的工業(yè)領(lǐng)域如機(jī)器人自動(dòng)測距等方面，此誤差不能忽略，可以通過改變一些硬件的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)對(duì)超聲波的快速鎖定或根據(jù)需要在程序中加入測距軟件補(bǔ)償?shù)拇a，使誤差進(jìn)一步減小，以滿足更高的要求。

本設(shè)計(jì)完整實(shí)現(xiàn)后可測量 10,m以內(nèi)的距離。由于超聲波的特性，測距時(shí)應(yīng)保證傳感器與被測物之間以及測量軸線上不存在障礙物，且要盡量保證傳感器軸線與被測物表面垂直。實(shí)際測距范圍與被測物表面材料等因素有關(guān)，一般不建議測量表面為毛料的物體。

［1］林偉，梁家寧，李才安. 便攜式多功能超聲波測距儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子測量技術(shù)，2008(1)：29-31.

［2］陳美鑾，尹浩，黎飄，等. 智能盲人導(dǎo)行儀的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J]. 電子技術(shù)應(yīng)用，2006(10)：2-5.

［3］羅慶生，韓寶玲. 一種基于超聲波與紅外線探測技術(shù)的測距定位系統(tǒng)[J]. 計(jì)算機(jī)測量與控制，2005(4)：1-3.

［4］高飛燕. 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)[J]. 信息技術(shù)，2005(7)：43-45.

［5］趙海鳴，卜英勇，王紀(jì)嬋，等. 一種高精度超聲波測距方法的研究[J]. 湖南科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2006(3)：8-10.

［6］路錦正，王建勤，楊紹國，等. 超聲波測距儀的設(shè)計(jì)[J]. 傳感器技術(shù)，2002(8)：9-11.

［7］牛余朋，成曙. 基于單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)[J]. 兵工自動(dòng)化，2005(4)：44-46.

［8］張健，李鋼. 超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[J]. 合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2004(6)：13-15.

Design of a Three-dimensional Ultrasonic Range Finder

JIA Qiang
(Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300350，China)

The three-dimensional ultrasonic range finder is mainly composed of power circuit，digital tube display circuit，rocker arm signal acquisition circuit，servo drive circuit，ultrasonic module，steering gear cloud deck and MSP430,single chip microcomputer system. It was proved that the range finder features stabilization，low cost and good cost performance and may satisfy range finding requirements within close ranges.

MSP430,single chip microcomputer；ultrasonic wave；steering gear；rocker

TB51+7

A

1006-8945(2014)08-0026-04

2014-07-06