基于MSP430的倒車(chē)?yán)走_(dá)超聲波測(cè)距系統(tǒng)設(shè)計(jì)

張皎 姚亦桐 楊小平 張博奧

摘 要：文章論述了一種利用外設(shè)HC-SR04超聲波組件設(shè)計(jì)的基于MSP430G2553的超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)。系統(tǒng)能實(shí)時(shí)檢測(cè)汽車(chē)尾部與障礙物的距離，并在MSP430G2553拓展板上用LCD動(dòng)態(tài)顯示實(shí)時(shí)距離，實(shí)現(xiàn)了對(duì)當(dāng)前測(cè)量距離的顯示，對(duì)倒車(chē)安全有著不可替代的作用。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該系統(tǒng)最大測(cè)量距離為3.5 m，并且具有成本低廉、非接觸性好、反應(yīng)速度快、可靠性強(qiáng)、適應(yīng)性好、操作方便的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：MSP430;HC-SR04;LCD;超聲波測(cè)距

0?引言

據(jù)初步調(diào)查統(tǒng)計(jì)，75%的汽車(chē)交通事故是由汽車(chē)倒車(chē)“后視”不良造成的[1]。因此，許多非職業(yè)汽車(chē)駕駛員很希望能有一種汽車(chē)倒車(chē)報(bào)警器，在倒車(chē)時(shí)不斷測(cè)量汽車(chē)尾部與其后面障礙物的距離，并隨時(shí)顯示其距離，在不同的距離范圍內(nèi)發(fā)出不同的報(bào)警信號(hào)，以提高汽車(chē)倒車(chē)時(shí)的安全性。增強(qiáng)汽車(chē)的后視能力，尤其是增強(qiáng)大型、重型車(chē)輛的后視能力，對(duì)于提高行車(chē)安全，減輕司機(jī)的勞動(dòng)強(qiáng)度和心理壓力，是十分重要的。

超聲波測(cè)距的基本原理是利用超聲波在空氣中的傳播速度來(lái)測(cè)量障礙物的實(shí)際距離。具體方法如下：先發(fā)射超聲波，當(dāng)聲波發(fā)射后遇到障礙物并反射超聲波。根據(jù)發(fā)射和接收的時(shí)間差計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)到障礙物的實(shí)際距離。由于超聲波擁有易于定向發(fā)射、方向性好、強(qiáng)度易控制、與被測(cè)量物體不需要直接接觸等優(yōu)點(diǎn)，所以超聲波測(cè)距儀廣泛應(yīng)用于倒車(chē)?yán)走_(dá)、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量[2]。本案例設(shè)計(jì)出了一款基于MSP430G2553（簡(jiǎn)稱(chēng)“G2”）單片機(jī)的超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)，主要由3部分組成：傳感器（探頭），主控制器，顯示模塊。其中：傳感器采用HC-SR04型號(hào)，采用單片機(jī)MSP430 G2553 作為主控制器。單片機(jī)主要負(fù)責(zé)發(fā)射觸發(fā)脈沖，用于計(jì)算開(kāi)始時(shí)間及脈寬;對(duì)反射回來(lái)的超聲波進(jìn)行響應(yīng)、測(cè)量發(fā)射至返回的時(shí)間差;控制超聲波傳感器（HC-SR04）產(chǎn)生超聲波信號(hào)，并通過(guò)輸出引腳輸入到驅(qū)動(dòng)器端口，經(jīng)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)后生成超聲波。一旦探頭接收到反射波，則單片機(jī)的輸出引腳的電平將從“1”變?yōu)椤?”，這種電平變化可以作為單片機(jī)對(duì)接收探頭的接收情況進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控，同時(shí)顯示模塊采用MSP430 G2553擴(kuò)展板上LCD，實(shí)現(xiàn)數(shù)字實(shí)時(shí)顯示。

1 原理簡(jiǎn)述

1.1? 超聲波簡(jiǎn)介

超聲波是一種頻率高于20 000 Hz的聲波，它的方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在水中傳播距離遠(yuǎn)，可用于測(cè)距、測(cè)速、清洗、焊接、碎石、殺菌消毒等。在醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)、農(nóng)業(yè)上有很多的應(yīng)用。超聲波因其頻率下限大于人的聽(tīng)覺(jué)上限而得名?？茖W(xué)家們將每秒鐘振動(dòng)的次數(shù)稱(chēng)為聲音的頻率，它的單位是赫茲（Hz）。人類(lèi)耳朵能聽(tīng)到的聲波頻率為20～20 000 Hz。因此，把頻率高于20 000 Hz的聲波稱(chēng)為“超聲波”[3]。

1.2? 超聲波測(cè)距原理

超聲波測(cè)距是利用反射原理來(lái)測(cè)量實(shí)際距離的，當(dāng)測(cè)量一端接超聲波傳感器，另一端為反射超聲波的物體時(shí)，首先，超聲波傳感器對(duì)準(zhǔn)反射物發(fā)射超聲波，并依次開(kāi)始計(jì)時(shí)。接下來(lái)，超聲波被障礙物（被測(cè)物）反射回來(lái)。最后，超聲波傳感器接收到反射脈沖后立即停止計(jì)時(shí)?？梢砸罁?jù)超聲波在空氣中的傳播速度和往返時(shí)間計(jì)算出要測(cè)量的實(shí)際距離。測(cè)量距離D為：[3]

式中：v表示超聲波的傳播速度[3];1/2t表示超聲波發(fā)射到接收所需時(shí)間的一半，也就是單程傳播時(shí)間[3]。

1.3? HC-SR04模塊工作原理

由HC-SR04的超聲波時(shí)序可以看出：?jiǎn)纹瑱C(jī)只需要提供一個(gè)持續(xù)時(shí)間達(dá)10 us以上的脈沖信號(hào)作為觸發(fā)信號(hào)（見(jiàn)圖1）。MSP430單片機(jī)內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)周期為40 kHz的高電平用以檢測(cè)反射波。一旦檢測(cè)有反射信號(hào)，則單片機(jī)輸出響應(yīng)信號(hào)用以應(yīng)答。由原理可知，響應(yīng)信號(hào)的脈寬與所測(cè)的實(shí)際距離成正比。依據(jù)公式，通過(guò)計(jì)算發(fā)射信號(hào)到響應(yīng)信號(hào)的時(shí)間間隔就可以計(jì)算得到距離。其公式為：us/58=厘米或者us/148=英寸;或是：距離=高電平時(shí)間×聲速（340 m/s）/2;這里建議測(cè)量周期為60 ms以上，以防止發(fā)射信號(hào)和響應(yīng)信號(hào)的混淆，影響測(cè)量結(jié)果[3]。

2 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)框架

本系統(tǒng)按硬件設(shè)計(jì)共分為3大功能模塊（見(jiàn)圖2）。其中，測(cè)距模塊和警報(bào)模塊體現(xiàn)了我們程序的主要功能，串行級(jí)聯(lián)。三大模塊的主要功能如下。

（1）初始化模塊：蜂鳴器初始化、關(guān)閉看門(mén)狗、LCD顯示初始化、配置時(shí)鐘、I/O接口等參數(shù)。

（2）測(cè)距模塊：捕獲、中斷、計(jì)數(shù)、測(cè)量PWM波寬、并憑借PWM波寬，計(jì)算出障礙物距離超聲波傳感器的距離，顯示在LCD顯示屏上。

（3）警報(bào)模塊：短暫延時(shí)后，根據(jù)傳入的距離數(shù)據(jù)，蜂鳴器根據(jù)距離數(shù)據(jù)判斷是否開(kāi)始警報(bào)，以及警報(bào)的聲調(diào)高低。

下面具體介紹測(cè)距模塊、報(bào)警模塊以及中斷測(cè)量波寬的具體實(shí)現(xiàn)方法。

3.1? 測(cè)距模塊

測(cè)量障礙物距離超聲波傳感器的實(shí)際距離，是本程序最基本，最重要的功能。測(cè)距模塊的主要功能，就是通過(guò)測(cè)量PWM波的波寬，來(lái)計(jì)算出障礙物的實(shí)際距離。圖3是測(cè)距模塊的主要流程圖。此模塊的主要作用是測(cè)距，該功能是通過(guò)測(cè)量PWM波寬，利用時(shí)鐘，間接測(cè)量出障礙物的實(shí)際距離。

首先，先進(jìn)行LCD顯示的初始化，SCMLK時(shí)鐘初始化，然后通過(guò)捕獲，使能中斷，連續(xù)計(jì)數(shù)，再用PWM初始時(shí)間pwm_start，PWM終止時(shí)間pwm_end，溢出計(jì)數(shù)變量overflow計(jì)算PWM波寬。在這里，進(jìn)行一次判斷，如果溢出計(jì)數(shù)變量overflow為零，那么賦值PWM波寬為零（實(shí)際距離為零），控制LCD顯示屏使之顯示“ERROR”字樣，系統(tǒng)報(bào)錯(cuò)。若溢出計(jì)數(shù)變量overflow不為零，則計(jì)算PWM波寬，計(jì)算障礙物到超聲波傳感器的實(shí)際距離dis。此時(shí)，只需要單片機(jī)控制LCD屏實(shí)時(shí)顯示計(jì)算出的實(shí)際距離dis即可。

具體實(shí)現(xiàn)為：測(cè)距

CCTL1=CAP+CM_1+CCIS_0+SCS+CCIE;? ? ? ? ? ?//捕獲模式，上升沿捕獲，選擇CCI1A同步，捕獲中斷開(kāi)//

TA0CTL=TASSEL_2+MC_2+TACLR+TAIE;

SMCLK=1M，? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//連續(xù)計(jì)數(shù)模式//

BCSCTL1=CALBC1_1MHZ;

DCOCTL=CALDCO_1MHZ;? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?//SMCLK時(shí)鐘源選擇1MHZ//

3.2? 報(bào)警模塊

報(bào)警模塊是本程序的另一重要組成部分。報(bào)警系統(tǒng)能夠根據(jù)超聲波傳感器距離障礙物的距離決定是否需要報(bào)警。如果需要報(bào)警，又會(huì)根據(jù)距離，決定危險(xiǎn)程度，然后通過(guò)蜂鳴器發(fā)出不同音調(diào)的聲音來(lái)警報(bào)，在聲音警報(bào)的同時(shí)，系統(tǒng)還會(huì)控制紅色LED燈持續(xù)閃爍，直至危險(xiǎn)解除。報(bào)警模塊的流程如圖4所示。

具體實(shí)現(xiàn)為：報(bào)警

void play_sound（int loudness，int tune，float timehold）? ? //蜂鳴器發(fā)聲函數(shù)

{unsigned int i = 0;

for（i=0;i<10000/tune*timehold;i++）

{ if（i%2）

{ write2DAC8411（0）;}

else

{write2DAC8411（loudness）;}

unsigned int j=0;

for（ j = 0;j < tune; j++ ）

{__delay_cycles（1）;}

}

}

3.3? 中斷測(cè)量波寬

在測(cè)距模塊中，我們用PWM波的波寬pwm_wide來(lái)計(jì)算障礙物的實(shí)際距離dis。在這里，本程序是采用中斷的方法來(lái)計(jì)算PWM波的波寬的。中斷測(cè)量PWM波寬的程序流程如圖5所示。

在使用中斷測(cè)量PWM波寬中，先設(shè)置I/O接口，選擇SMCLK作為時(shí)鐘源，持續(xù)計(jì)數(shù)。使能中斷，判斷error==1？ 若是，則波寬為零;若不是，則進(jìn)行捕獲中斷，判斷是上升沿還是下降沿。若為上升沿，變更為下降沿觸發(fā)，并記錄初始時(shí)間，溢出數(shù)復(fù)位。若為下降沿，變更為上升沿觸發(fā)，記錄終止時(shí)間。最后利用終止時(shí)間，初始時(shí)間和溢出數(shù)計(jì)算出PWM波寬。

4 結(jié)語(yǔ)

系統(tǒng)利用超聲波在空氣中的可傳播性。實(shí)時(shí)測(cè)得超聲波在空氣中的傳播時(shí)間和傳播速度。在將時(shí)間和速度相乘即得距離的原理，設(shè)計(jì)了一個(gè)基于MSP430的超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)，用于實(shí)時(shí)測(cè)得汽車(chē)尾部與障礙物的距離。通過(guò)LCD顯示距離值，將距離值提供給司機(jī)。該系統(tǒng)具有成本低、非接觸、速度快、可靠性強(qiáng)、適應(yīng)性好、操作方便，有著廣泛的應(yīng)用前景。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該案例在生產(chǎn)實(shí)際和科學(xué)研究方面均具有一定的參考價(jià)值。（1）司機(jī)可直接通過(guò)LCD屏讀出汽車(chē)尾部和障礙物之間的實(shí)際距離，即不需要回頭就可以預(yù)知車(chē)尾的情況。這樣可以有效避免倒車(chē)不慎造成的交通事故。 （2）該系統(tǒng)使我們?cè)诘管?chē)時(shí)更方便快捷的同時(shí)，又為倒車(chē)提供了更為安全的保障。

[參考文獻(xiàn)]

[1]李文輝.基于MSP430單片機(jī)的超聲波倒車(chē)?yán)走_(dá)監(jiān)測(cè)報(bào)警系統(tǒng)[J].自動(dòng)化與儀器儀表，2009（4）：42-44.

[2]濕濟(jì)霞，張艷兵 .基于MSP430單片機(jī)的倒車(chē)?yán)走_(dá)設(shè)計(jì)[J].科技信息，2011（21）：505-506.

[3]李家偉，王怡之.超聲波檢測(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

（編輯 姚 鑫）