基于MSP430單片機(jī)的超聲波測距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

文/謝鵬輝 岳全勝 余世賢 王鏈琿 王洋

1 引言

超聲波測距作為一種典型的非接觸測量方法，其系統(tǒng)核心部分通常包括測距方法和單片機(jī)。當(dāng)前超聲波測距方法主要有三種:相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時間法。相位檢測法測量精度最高，但測量范圍具有一定局限性且電路復(fù)雜；聲波幅值檢測法操作最簡單、成本相對較低，但易受到反射介質(zhì)的影響；渡越時間法總體來看是相對居中的，不太復(fù)雜，且測量距離、精度也較高。

目前常見的單片機(jī)有51系列、STC系列和MSP430系列等。51系列應(yīng)用廣泛、功能完備，但抗干擾能力不強(qiáng)；而STC系列抗干擾能力較強(qiáng)、功耗較低，但故障率較高、集成資源較少。與上述相比，MSP430系列具有功能強(qiáng)大、功耗低、集成度高、抗干擾能力強(qiáng)等特點(diǎn)。

綜上所述，本文將基于MSP430單片機(jī)采用渡越時間法進(jìn)行超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。

2 超聲波測距系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

渡越時間法測距的基本思想是利用超聲波在介質(zhì)中傳播時間和速度來確定距離。本文以MSP430單片機(jī)作為處理器，聯(lián)同超聲波接發(fā)、溫度測量及電子顯示等單元一起構(gòu)成了超聲波測距系統(tǒng)。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1：超聲波測距結(jié)構(gòu)圖

圖2：超聲波時序圖

3 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

本文超聲波測距系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)主要包括單片機(jī)選擇與超聲波測距模塊、電源電路和復(fù)位電路等設(shè)計(jì)。

3.1 MSP430系列單片機(jī)

MSP430系列單片機(jī)是美國德州儀器1996年開始推向市場的一種16位超低功耗、具有精簡指令集的混合信號處理器，其主要特點(diǎn)：

（1）低電源電壓范圍，1.8～3.6V；

（2）超低功耗，擁有5種低功耗模式；（3）靈活的時鐘使用模式；

（4）高速的運(yùn)算能力，16位RISC架構(gòu)，125ns指令周期；

（5）豐富的功能模塊。

3.2 超聲波測距模塊

本文測距系統(tǒng)采用XKC-ME007Y50HV2型超聲波測距模塊。該超聲波測距模塊有三個輸出口，分別是UART串行輸出、RS485輸出和PWM輸出。本文系統(tǒng)選擇PWM輸出方式，通過對應(yīng)的指令或觸發(fā)方式來啟動模塊工作，完成測距后，模塊以對應(yīng)的形式輸出距離值或者溫度值。本文測距系統(tǒng)PWM接口對應(yīng)有VCC、Trigger、Echo、GND四個管腳，其分別對應(yīng)于：VCC，電源輸入（模塊默認(rèn)為5V供電）；Trigger，觸發(fā)引腳，高電平觸發(fā)，高電平寬度不能小于50 毫秒；Echo，PWM輸出引腳；GND，電源接地端。

圖3：超聲波測距主程序

當(dāng)觸發(fā)管腳（Trigger）接受到一個高電平觸發(fā)脈沖后，模塊內(nèi)部自動發(fā)出8個50kHz的超聲波，并檢測回波信號的時間長短，然后管腳（Echo）輸出對應(yīng)的PWM脈寬電平。本文系統(tǒng)采用MCU判斷高電平的時間計(jì)算得到距離值。如果沒有檢測到物體，管腳（Echo）將輸出約60ms的固定脈寬，其對應(yīng)的超聲波時序圖如圖2所示。

從圖2可以看出，XKC-ME007Y50H V2超聲波傳感器模塊的測距主要包含以下3個過程：

（1）采用I/0觸發(fā)測距，給至少50ms的高電平信號；

（2）模塊自動發(fā)送8個50KHz的方波，自動檢測是否有信號返回；

（3）一旦有信號返回，則可以檢測到通過I/0輸出的高電平，而高電平持續(xù)的時間就是超聲波從發(fā)射到返回的總時間。

3.3 電源電路

本文測距系統(tǒng)采用+5V電源，該電源是由220V交流電源經(jīng)過 8V變壓器降壓后，經(jīng)過橋式整流電路和電容濾波，再通過三端穩(wěn)壓器 LM7805 輸出 +5V 電壓。

3.4 復(fù)位電路

本文測距系統(tǒng)采用手動按鈕復(fù)位，在RST 端和正電源 VCC之間接一個按鈕。當(dāng)按下按鈕時，VCC的+5V 電平直接加到 RST 端，使得單片機(jī)復(fù)位。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本文系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)選用IAR軟件，采用C語言進(jìn)行程序編寫。系統(tǒng)軟件包括主程序、溫度采集子程序、數(shù)碼顯示子程序、發(fā)射子程序、計(jì)算子程序、定時器中斷子程序和外部中斷子程序。其中，主程序是整個系統(tǒng)控制的核心，完成設(shè)備的初始化和其余各子程序的調(diào)用；發(fā)射子程序進(jìn)行產(chǎn)生和發(fā)射超聲波信號；溫度采集子程序完成對環(huán)境溫度信息的采集；計(jì)算子程序負(fù)責(zé)對測量的數(shù)據(jù)進(jìn)行運(yùn)算和處理并發(fā)送到數(shù)碼顯示子程序顯示測量結(jié)果。

當(dāng)系統(tǒng)完成初始化后調(diào)用發(fā)射子程序發(fā)送超聲波時，啟動計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)；當(dāng)接收到回波信號時，響應(yīng)外部中斷INTO，轉(zhuǎn)向中斷服務(wù)程序。中斷服務(wù)程序讀取計(jì)數(shù)結(jié)果，由主程序調(diào)用子程序進(jìn)行數(shù)據(jù)運(yùn)算和數(shù)據(jù)處理，最后將結(jié)果送顯示屏顯示。具體的主程序流程圖如圖3所示。

在超聲波測距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案中，超聲波換能器發(fā)射探頭和接收探頭距離相對較近。在發(fā)射探頭發(fā)射超聲波后，有部分超聲波未經(jīng)過障礙物反射便繞射到接收探頭上。這部分信號是無用的，當(dāng)出現(xiàn)此種情況時將會自動引發(fā)系統(tǒng)誤差處理系統(tǒng)工作。本文采用延時技術(shù)來解決這個問題，并設(shè)定延時時間為0.8ms，即在發(fā)射極發(fā)射超聲波0.8ms內(nèi)，通過軟件關(guān)閉所有中斷，接收電路對在此期間接收到的任何信號不予理睬；而在0.8ms后立即啟動T0，自此接收到的信號被視為有效。并在接收到回波信號的同時，TO停。此時 TO所記錄的CPU發(fā)送脈沖信號的前沿到回波脈沖信號之間的時間才是需要的，因此系統(tǒng)存在測量盲區(qū)。

5 結(jié)語

本文基于MSP430單片機(jī)設(shè)計(jì)了一種簡易超聲波測距系統(tǒng)。整個系統(tǒng)同傳統(tǒng)的測距設(shè)備相比，其結(jié)構(gòu)簡單、體積較小、價格便宜，且能耗低、適合長時間工作。在本文作者現(xiàn)階段的研究工作中，將此測距系統(tǒng)用于高速公路應(yīng)急車道占用檢測系統(tǒng)，主要用于判定車輛是否占用了應(yīng)急車道，從而記錄下車輛信息供高速公路監(jiān)管部門參考，使監(jiān)管部門能夠更有效更大范圍的對應(yīng)急車道的使用實(shí)施嚴(yán)格監(jiān)管。

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