基于msp430单片机的超声波测距系统设计与实现

摘要本设计的内容是基于单片机MSP430的超声波测距系统。

主要是利用超声波的特点，将超声波测距系统与MSP430单片机结合起来，设计出测距报警系统。

当超声波传感器与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，系统能发出声光警报，并随着距离的不断接近，报警频率不断提高。

与此同时还在液晶上显示出当前距离以及安全距离。

工作时超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接受到遇到障碍物反射回来的反射波，然后准确的测量超声波从发射到遇到障碍物反射返回的这段时间，根据超声波的传播速度，计算出到障碍物的距离。

本设计采用软、硬件结合的方法，并在Proteus中进行了系统仿真。

关键词：MSP430 超声波测距
Abstract The content of this design is the ultrasonic ranging system based on single-chip 忽略puter MSP430. Mainly using the characteristics of ultrasonic 忽略bined ultrasonic ranging system with MSP430 single chip micro忽略puter, design range alarm system. When the ultrasonic sensors and obstacle distance is less than the safe distance set, the system can send out sound and light alarm, and with the close distance, alarm frequency increasing. At the same time also on the LCD shows the current distance and a safe distance. Work issue ultrasonic pulse ultrasonic emitter, ultrasonic receivers accept reflected the reflection to encounter obstacles, and then the accurate measurement of ultrasonic from launch to detect obstacles to reflect back to this period of time, according to the ultrasonic wave propagation
velocity, calculate the distance to the obstacles.
This design adopts the method of bining software and hardware, and has carried on the system in the Proteus simulation.
Keywords: Microcontroller MSP430 Ultrasonic Ranging
目录
前言 (1)
第1章系统总体方案与框架 (2)
1.1 设计整体思路与基本原理 (2)
1.2 系统总体概述 (2)
第2 章实现系统硬件设计 (4)
2.1 主控模块 (4)
2.2 超声波测距模块 (4)
2.3 LCD显示模块 (6)
2.4 声光报警模块 (10)
2.5 系统参数调整模块 (10)
第3 章系统软件设计 (11)
3.1 运行方式控制程序流程设计 (11)
第4 章电路调试及性能分析 (13)
4.1 电路的调试 (13)
4.1.1电源的选择 (13)
4.1.2 蜂鸣器 (14)
4.2 测试及结果分析 (14)
结论 (15)
致谢 (17)
参考文献 (18)
附件 (19)
前言
随着社会经济的迅速发展，人们生活水平不断提高，越来越多的人都拥有自己的汽车。

因此交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失。

在拥挤的公路、街道、停车场等场所，倒车事故发生的频率极高，已引起了社会和交通部门的高度重视。

针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车倒车报警系统势在必行。

而超声波测距法是最常见的一种距离测量方法，本设计就是利用超声波测距法设计出一种汽车倒车报警系统。

旨在设计出一种汽车泊位或倒车是的安全辅助装置，能以声音以及更为直观的显示告诉驾驶员周围障碍的距离情况，解除了驾驶员泊车、倒车和启动车辆时前后左右探视所引起的困扰，并帮助驾驶员扫除了视野死角和视线模糊的缺陷，提高了驾驶的安全性。

第1章系统总体方案与框架
1.1设计整体思路与基本原理
本设计的整体思路是一方面利用超声波指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，另一方面利用单片机MSP430低功耗、高性能、外设可扩展性强等优点，将超声波测距系统与单片机MSP430结合起来。

在单片机MSP430的最小系统上扩展液晶、蜂鸣器、按键、LED指示灯等外设来加强基本功能实现性以及人性化。

本设计的基本原理当汽车与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，系统能发出声光警报，并随着距离的不断接近，报警频率不断提高。

与此同时还在液晶上显示出当前距离以及安全距离。

工作时超声波发射器发出超声波脉冲，超声波接收器接受到遇到障碍物反射回来的反射波，然后准确的测量超声波从发射到遇到障碍物反射返回的这段时间，根据超声波的传播速度，计算出到障碍物的距离。

系统总体设计框图如图1-1所示。

图1-1 系统总体框图
1.2系统总体概述
如系统总体框图所示，本设计核心控制部分为单片机MSP430，外围电路由超声波发射模块、超声波接收模块、声光报警电路、显示模块以及系统参数调整模块组成。

整个系统工作过程如下：单片机MSP430向超声波发射模块提供可控制的驱动信号，此驱动信号驱动超声波发射模块发射超声波。

超声波在传播过程中遇到障碍物则产生反射，同时超声波接收模块接收到反射回来的超
声波信号，并通过一定的信号处理（放大、比较等），将处理后的信号回送给单片机MSP430；单片机MSP430接收到超声波接收模块的信号后，则通过编程控制LCD显示模块和声光报警模块显示出相应的状态，中LCD显示模块显示内容为预设定的安全距离和当前距离，而声光报警模块则是由蜂鸣器和LED灯组成，当前距离小于预设定的安全距离时蜂鸣器和LED灯同时发出报警信号，随着距离的不断接近，报警频率也不断提高；系统参数调整模块则是由按键实现，主要功能是通过按键调整系统显示模块的初始参数，以达到提高系统精度的目的。

第2章实现系统硬件设计
2.1 主控模块
本系统主控模块采用单片机MSP430。

MSP430系列单片机是美国德州仪器1996年开始推向市场的一种16位超低MSP430单片机功耗、具有精简指令集（RISC）的混合信号处理器（Mixed Signal Processor）。

称之为混合信号处理器，是由于其针对实际应用需求，将多个不同功能的模拟电路、数字电路模块和微处理器集成在一个芯片上，以提供“单片机”解决方案。

该系列单片机多应用于需要电池供电的便携式仪器仪表中。

MSP430引脚图如图2-1所示：
图2-1 MSP430引脚图
2.2 超声波测距模块
本系统的超声波测距模块采用集成了超声波发射模块和超声波接收模块的超声波测距模块HC-SR04。

其原理图如下图2-2所示：
图2-2 HC-SR04原理图
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，测距精度可达到3mm，模块包括超声波发射器、接收器与控制电路。

整个模块有包括四个引脚，分别是：电源、地、触发信号输、回响信号输出。

此模块的电气参数如下表2-1所示：
表2-1 HC-SR04超声波测距模块电气参数表
电气参数HC-SR04超声波测距模块
工作电压DC 5V
工作电流15mA
工作频率40KHZ
最远射程4m
最近射程2cm
测量角度15度
输入触发信号10us的TTL脉冲
输出回响信号输出TTL电平信号，与射程成比例
HC-SR04超声波测距模块基本工作原理对应的时序图如下图2-3所示：
图2-3 HC-SR04超声波测距模块时序图
HC-SR04超声波测距模块基本工作原理是：通过单片机MSP430的IO口输出持续时间大于10us的高电平信号给HC-SR04超声波测距模块的触发信号输入引脚，从而触发HC-SR04超声波测距模块；HC-SR04超声波测距模块接收到触发信号后自动产生并发出8个40KHZ的方波信号，同时启动HC-SR04超声波测距模块的超声波接收器；超声波接收器一旦启动，则自动检测是否收到反射回来的超声波信号，同时向与其连接的单片机MSP430的IO口输入高电平信号，若有信号返回，则通过HC-SR04超声波测距模块的回响信号输出引脚向与其连接的单片机MSP430的IO口输入低电平信号。

从而可知与HC-SR04超声波测距模块的回响信号输出引脚连接的单片机MSP430的IO口的高电平持续时间就是超声波从发射到返回的时间。

由此可有下面公式计算出当前测试距离。

L=(T*C)/2 (2-1) 其中L是当前测试距离，T是与HC-SR04超声波测距模块的回响信号输出引脚连接的单片机MSP430的IO口的高电平持续时间，C是超声波在空气中的传播速度（即声速）。

2.3 LCD显示模块
本系统的显示模块采用液晶显示模块LCD1602。

在日常生活中，我们对液晶显示模块并不陌生。

液晶显示模块已作为很多电子产品的通过器件，如在
计算器、万用表、电子表及很多家用电子产品中都可以看到，显示的主要是数字、专用符号和图形。

在单片机的人机交流界面中，一般的输出方式有以下几种：发光管、LED数码管、液晶显示模块。

而其中液晶显示模块作为输出器件显示质量高、数字式接口、体积小、重量轻、功耗低等优点。

所以本设计采用液晶显示模块作为主要的输出显示器件。

液晶显示的原理是利用液晶的物理特性，通过电压对其显示区域进行控制，有电就有显示，这样即可以显示出图形。

液晶显示器具有厚度薄、适用于大规模集成电路直接驱动、易于实现全彩色显示的特点，目前已经被广泛应用在便携式电脑、数字摄像机、PDA移动通信工具等众多领域。

液晶显示的分类方法有很多种，通常可按其显示方式分为段式、字符式、点阵式等。

除了黑白显示外，液晶显示器还有多灰度有彩色显示等。

如果根据驱动方式来分，可以分为静态驱动（Static）、单纯矩阵驱动（Simple Matrix）和主动矩阵驱动（Active Matrix）三种。

本系统采用的是1602字符型液晶显示模块。

LCD1602液晶显示模块主要电气参数如下表2-2所示。

表2-2 LCD1602液晶显示模块主要电气参数
LCD1602液晶显示模块读写操作时序如图2-4和图2-5所示：
图2-4 LCD1602液晶显示模块读操作时序图
图2-5 LCD1602液晶显示模块写操作时序图
液晶显示模块是一个慢显示器件，所以在执行每条指令之前一定要确认模块的忙标志位为低电平，表示不忙，否则此指令失效。

要显示字符时要先输入显示字符地址，也就是告诉模块在哪里显示字符，图2-6是LCD1602的内部显示地址。

图2-6 LCD1602的内部显示地址图
LCD1602液晶模块内部的字符发生存储器（CGROM）已经存储了160个不同的点阵字符图形，如图2-7所示，这些字符有：阿拉伯数字、英文字母的大小写、常用的符号、和日文假名等，每一个字符都有一个固定的代码。

图2-7 字符代码与图形对应图
LCD1602液晶显示模块可以和单片机MSP430直接接口，电路原理图如下图2-8所示。

图2-8 LCD1602的电路原理图
2.4 声光报警模块
本设计的声光报警模块用一个LED灯与一个蜂鸣器实现。

此模块可直接通过单片机MSP430的IO口控制，因为声光报警模块的功能是当汽车与障碍物的距离小于所设定的安全距离时，产生报警信号，并随着距离的不断接近，报警频率不断提高。

本系统中使用单片机MSP430的定时器，根据汽车与障碍物之间的不同距离，产生不同频率的PWM信号控制LED和蜂鸣器。

此声光报警模块与单片机MSP430连接的电路原理图如下图2-9所示。

图2-9 声光报警模块原理图
2.5 系统参数调整模块
本设计的系统参数调整模块主要由四个单独按键组成。

每个按键都单独与单片机MSP430的独立IO口相连，以便于单独控制。

设计此系统参数调整模块旨在测距开始前调整显示模块LCD1602液晶显示器的初始显示值，以达到提高测距精度的目的。

此系统参数调整模块与单片机MSP430连接的电路原理图如下图2-10所示。

图 2-10 系统参数调整模块原理图
第3章系统软件设计
3.1 运行方式控制程序流程设计
在系统的硬件构架了超声波的基本功能以后，系统的软件所实现的功能主要是针对系统功能的实现及数据的处理和应用。

根据以上所述系统硬件设计和所完成的功能，系统软件需要实现以下功能：
第一、信号控制
在系统硬件中，已经完胜了发射电路、接受电路、显示电路等的设计。

在系统软件中，要完胜增益控制信号、门控信号、发射脉冲信号、峰值采集信号、远近控制信号的时序及输出。

第二、数据存储
为了得到发射信号与接受回波间的时间差，要读出此刻计数器的计数值，然后存储在RAM中，而且每次发射周期的开始，需要计数器清零，以备后续处理。

第三、信号处理
RAM中存储的计数值并不能作为距离值直接显示输出，因为计数值与实际的距离值之间转换公式为：S=0.5*V*T=0.5*V*(Tr*N）其中，T为发射信号到接收之间经历的时间，Tr为方波信号作为技术脉冲时计数器的时间分辨率，N为计数器的值。

图3-1 主程序流程图
第4章电路调试及性能分析
4.1 电路的调试
由于本设计的模块较多，包括超声波测距模块、显示报警模块、单片机模块，所以调试起来比较费力，设计的不定因素也比较多，所以，调试的时候采用分块调试的方法，排除各个模块的干扰。

在电路安装完毕后，首先做好调试前的检查工作。

检查连线情况:检查连线直接对照电路原理图进行，但电路中布线比较多，则以元器件为中心，依次检查引脚的有关连线，这样不仅可以查出错接或少接的线，而且也较易发现多余的线。

检查电源输入端与公共接地端间有否短路在通电前，还需用万用表检查电源输入端与地之间是否存在短路。

在完成以上各项检查并确认无误后，开始通电调试。

通过多次实验，对电路各部分进行了测量、调试和分析。

首先测试发射电路对信号放大的倍数，先用信号源给发射电路输入端一个40kHz的方波信号，峰-峰值为 3.9v。

经过发射电路后，信号峰-峰值放大到9.7v。

40kHz的方波驱动超声波发射头发射超声波，经过反射后由超声波接收头接收到40kHz的正弦波，由于声波在空气中传播时的衰减，所以接受到的波形幅值较低，经过接受电路放大，整形，最后输出一负跳变，在单片机的外部中断源输入端产生一个中断请求信号。

该测距店里路的40kHz方波由单片机编程产生，方波的周期为1/40ms，半周期为12.5us。

每隔半周期时间，让方波输出脚的电平取反，便可产生40kHz方波。

由于12M晶振的单片机的时间分辨率是1us，所以只能产生半周期为12us或13us的方波信号，本系统在编程时选用了后者，让单片机产生约38.46kHz的方波。

4.1.1电源的选择
考虑到单片机的工作电压的范围很宽，工作电压在 4.5V-5.5V之间，所以在系统电源的选择上选择以5V为基准。

这样系统的电源的来源可以选择在
电脑USB输出。

4.1.2 蜂鸣器
报警电路中，蜂鸣器的正负极和它的工作电压值。

发现有些蜂鸣器的叫声很大，有的很小，通过查询相关资料发现，不同类型的蜂鸣器有不同的工作电压值。

4.2 测试及结果分析
硬件测试过程中经过多次测试其能测的最远且较稳定的距离为425cm，最大误差不超过3mm。

由于场地有限，不可避免的受到干扰。

各距离的测试如下表所示。

误差来源由于温度与声速有关，如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

表5.1 测距测试结果
结论
本系统是采用一个单片机控制系统来进行倒车防撞系统的制作，并有效的进行控制和报警，在设计中硬件上使用了超声波传感器HC-SR04结合了51单片机的运用，在软件上，充分利用了MSP430单片机的强大功能，实现了信息的快速处理和控制、显示功能，能精确检测。

本次设计中主要实现了以下功能：(1)超声波测距模块能够产生超声波，实现超声波的发射与接收。

(2)通过蜂鸣器进行相应的报警。

(3)利用超声波测量物体间的距离，并将距离通过LCD显示模块数字显示。

完成本次毕业设计，获益良多。

不仅对超声波检测技术和51单片机最小系统有了了解，而且能够熟练运用p roteus软件进行仿真、在Cadence ORCAD capture软件中绘制原理图和protel软件进行PCB版的制作，由于设计的理论基础尚浅，对课题的研究经验还不成熟，使得在技术的解决与运用上显得粗糙了一些，在某些技术关键上的叙述不能达到详细，设计中出现了一些难点、解决方案和自己的特点，特归纳为以下几点：
(1)传感器的精密度，期间由于传感器的发出的信号不是很稳定，所以造成测距的误差很大，如果使用精密度较高的传感器，效果会好的多，在仿真部分，由于元件库里没有传感器的器件，我是用小信号仿真出了这种信号，模拟这个器件。

(2) 采用模块化设计,使用方便；
(3) 利用传感器和单片机分别实现检测和智能控制；
(4)在元件调制上，由于外围元件不是很多，电路焊接时没有太大失误，最后调试正常工作，但是接收灵敏度和抗干扰能力不强，在调试测出的数据中不太准确，所以我觉得将超声波接收电路用金属壳屏蔽起来，则可提高抗干扰能力。

本系统在很多地方有待进一步开发和完善。

目前，市场上的倒车预警系统除了有基本的测距与预警功能外，还有汽车与障碍物的图像模拟功能，在以后
的学习过程中，我会通过自己的努力掌握更多的汽车倒车预警系统的知识。

本次系统的开发和论文撰写，我也深深体会到，要真正用心去做的一件事，是自己真正的学习的过程和研究的过程，没有学习就不可能有研究的能力，没有研究就不会有所突破。

感谢在这过程中韩老师对我的帮助，希望这次的经历让我在以后的学习和工作中激励我继续进步。

最后敬请各位专家、老师和同学对论文和今后的研究工作提出宝贵的指导意见和建议。

致谢
经过将近三个月的忙碌和工作，本次毕业设计已经接近尾声，作为一个本科生的毕业设计，由于设计经验的匮乏以及专业知识掌握的程度较低，在设计之初各种各样的问题一一凸显，设计进度缓慢，但庆幸的是在老师和同学的帮助下，我还是顺利的完成了本次设计。

在这里首先要感谢我的毕业设计指导老师。

她平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从拟定设计思路到查阅资料，设计草案的确定和修改，中期检查，后期详细设计，编辑原理图、仿真等整个过程中都给予了我悉心的指导。

虽然我的设计较为简单，但对于从来没有进行过完整的电子系统设计的我，在设计过程中还是遇到了很多问题。

如：基于PROTEUS的系统仿真，在Cadence ORCAD capture软件中绘制原理图等。

这些问题的解决都是通过老师的悉心指导以及自己的努力。

通过此次设计后我除了敬佩指导老师的专业水平外，她的治学严谨和科学研究的精神也是我永远学习的榜样，并将积极影响我今后的学习和工作。

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附件
#include "msp430x14x.h"
#include "1602.c"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
void USARTinit();
void timeinit();
long static uint distance=0;
uchar table[]="gu zhuanyuan";
/*void delay(uint y)
{
uint x;
for(;y>0;y--)
for(x=100;x>0;x--);
}*/
uchar i=0,j=0;
void main( )
{
// Stop watchdog timer to prevent time out reset WDTCTL = WDTPW + WDTHOLD;
// USARTinit();
P1DIR|=BIT0;
P2DIR=0XFF;
timeinit();
lcdinit();
display_string(3,1,table);
P1IE=BIT1;
P1IES&=~BIT1;
while(1)
{
P1OUT|=BIT0;
delay(1);
P1OUT&=~BIT0;
delay(1000);
display_one(1,0,(distance/10000)%10+0x30);
display_one(2,0,(distance/1000)%10+0x30);
display_one(3,0,(distance/100)%10+0x30);
display_one(4,0,(distance/10)%10+0x30);
display_one(5,0,distance%10+0x30);
}
}
void timeinit()
{
TACTL=TASSEL_2+ID_3+MC_1;//ID_2表示八分频！MC_1表示连续计数模式！
BCSCTL2=0x88;//选择SMCLK的信号源XT2CLK（8MHz）
CCR0=65535;
_EINT(); //打开总中断！
}
#pragma vector=PORT1_VECTOR
__interrupt void port1_int(void)
{
if((P1IN&BIT1)==BIT1)
{
TACTL|=MC_1+TACLR;
P1IES|=BIT1;
}
else
{
TACTL&=~MC_3;
P1IES&=~BIT1;
distance=TAR*5/3;
P2OUT=TAR;
}
P1IFG&=~BIT1;
}
#include "msp430x14x.h"
#define uint unsigned int
#define uchar unsigned char
void lcdinit();
void write忽略mand(uchar wdata);
void writedata(uchar wdata);
void delay(uint y);
void display_xy(uchar x,uchar y);
void display_one(uchar x,uchar y,uchar c);
void display_string(uchar x,uchar y,uchar *s);
void lcdinit()
{
P4DIR=0XFF;
P3DIR=0xff;
delay(1);
write忽略mand(0x38); //必须要有，显示模式设置，设置为16*2显示，5*7点阵，8位数据接口！
// delay(50);
write忽略mand(0x08); //关闭显示,要不要都可以
write忽略mand(0x01); //显示清屏
write忽略mand(0x0f); //开显示，显示光标，光标闪烁！！
write忽略mand(0x06); //读/写作用时地址自动加一
}
void write忽略mand(uchar wdata)
{
P3OUT &=~BIT0; //使RS=0，表示写命令
P3OUT &=~BIT1; //rw=0，表示向1602里面写数据
// P3OUT &=~BIT2; //E=0
delay(1);
P3OUT |=BIT2; //使能E置一
P4OUT=wdata; //送命令
delay(10); //短暂延时，代替检测忙状态,产生方波！
P3OUT &=~BIT2; //使能E=0，下降沿将命令货数据送入1602
}
void writedata(uchar wdata)
{
P3OUT |=BIT0; //使RS=1，表示写数据
P3OUT &=~BIT1; //rw=0，表示向1602里面写数据
// P3OUT &=~BIT2; 可以加，也可以不加！！
delay(1);
P3OUT |=BIT2;
P4OUT=wdata;
delay(10);
P3OUT &=~BIT2;
}
void delay(uint y)
{
uint x;
for(;y>0;y--)
for(x=100;x>0;x--);//用8MHz的总频率！！！
}
void display_xy(uchar x,uchar y) //找字符串的地址！！
{
if(y==0x01)
{
x=x+0x40+0x80; //首地址0X80，,第二行地址0X80+0X40!
}
else
{
x=0x80+x;
}
write忽略mand(x);
}
void display_string(uchar x,uchar y,uchar *s) //显示字符串
{
display_xy(x,y);
while(*s)
{
writedata(*s);
s++;
}
}
void display_one(uchar x,uchar y,uchar c) //显示一个字符！
{
display_xy(x,y);
writedata(c);
}。