基于MSP430F5438A超声波测距仪的设计

摘 要：本设计介绍了一种高精度、微型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计思路，系统以MSP430F5438A控制器为主控核心，电路采用模块化设计，控制发射模块发射超声波。声波在传送过程中碰到障碍物产生反射，接收模块接受回波，交给单片机计算处理。同时，结合温度传感器，计算出环境温度对应的声速，计算出往返距离。

关键词：MSP430F5438A；超声波；温度传感器

随着电子技术的发展，出现了激光测距、微波雷达测距超声波测距等几种方式。前2种方法由于成本高、技术难度大，一般仅用于建筑测量和军事工业，而超声波测距则由于其技术难度相对较低，且成本低廉，在民用测距仪中的应用越来越广。这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域，作为一种非接触式的检测方法，朝着更加高定位高精度的方向发展。它不受被测对象颜色的影响。对于被测物处于烟雾、电磁干扰、黑暗、有灰尘、有毒等恶劣的环境下有一定的适应能力。因此在液位测量、车辆防撞雷达等方面有广泛应用。而且超声波传感器具有结构简单、体积小、信号处理可靠等特点。因此本设计也是利用超声波来测量距离。

1 设计思路

超声波测距的原理一般采用渡越世间法TOF（timeofflight）。原理是测量出超声波从发射到经过障碍物反射的回波到达发射探头的时间，实际上是测量时间。从发射超声波至接收回波所经历的射程时间，时间值乘以超声波的传播速度就可以得声源与障碍物之间的往返距离。

采用MSP430F5438A为主控制器，使用16M晶振，其处理速度快，容量大而且自带功能齐全。本设计中用到了MSP430F5438A芯片内部集成温度传感器，不仅简化了外围电路和降低硬件成本，而且还减小了测量误差，测量精度理论上可以达到毫米级。

选用HC-SR04超声波传感器，这种型号的传感器本身集成了滤波、积分比较电路，外围电路设计较为简单。系统总体框图如图1所示。

设超声波探头与被测物体之间的距离s，往返时间为t，超声波在空气中的传播速度为v，则距离s可有公式1-1得出

垂直距离d与高度h关系如公式1-2所示。

一般测距过程中，两探头间的距离很小，若d远大于h，本文中，h可以忽略不计，所以可以认为d=s。

2 控制设计

2.1 主控电路

该系统控制器采用TI公司的MSP430F5438A单片机，采用16MHz外部晶体振荡器，减小因内部温漂引起的工作频率误差。单片机内部TB定时器工作在PWM模式，输出超声波传感器所需的40KHz的方波信号，利用中断口监测超声波接收电路输出的返回信号，控制器通过检测外部中断信号，当中断口引脚的输入电平由高到低产生下降沿时，就可判断信号已经返回，根据计数器所计的数值就可以计算出超声波传播中所经历的时间。

2.2 误差影响

超声波测距的主要误差来源于控制器振荡器的误差、中断到中断响应停止计时之间的滞后引起的计时器本身误差和外部环境（温度、压力、湿度）对声速的影响三大部分。

一般情况下，控制器内部晶振由于工艺和温度影响，稳定度在2%左右，故对测量会造成较大误差。多数外部晶振稳定度在20-50PPM级别，故选取质量好的晶振，可以显著减小系统误差。

外部边沿信号触发中断到控制器响应中断读取定时器值，需要耗费多个不固定指令周期，对于短距离测量，误差会相应增加。为了避免滞后引起的误差，选用定时器的捕捉方式对边沿触发信号进行捕捉。这样，控制器就不会因为响应中断而引起计数值的误差。

由于外部环境的温度、压力、湿度不同，音速会变化，检测电路的灵敏度也会变化。尤其是温度的影响最大，但后两个变化一般可以忽略。为了修正温度对测量的影响，通常可以借助温度补偿计算对音速变化进行修正，具体如公式2-1所示。

其中T为当前环境温度，对应关系如图2所示。

MSP430F5438A单片机内部集成了温度传感器，可通过ADC内部通道进行访问，节省了另外设计外部温度传感器电路的成本。

3 系统整体测试

经过实验测试和分析，设计测量范围为3.1mm——2.15m，最大误差不超过1mm。同时，为了减小误差，使用软件方法对数据进行多次测量，对所测得每组数据去掉最大值和最小值，选取范围较接近的值，再求出平均值，用来作为最终的测量数据输出。

[参考文献]

[1]牛余朋，成曙.基于单片机的超声波测距系统[J].北京：兵工自动化.2005.2.

[2]何莉，曾宪文，徐霞.基于PIC单片机的超声波测距系统[J].北京：压电与声光.2004.4.

[3]宋敬国，李元宗，徐玉华.PIC单片机在超声波测距系统中的应用[J].北京：机械工程与自动化.2007.8。

[4]吴超.基于FPGA的超声波测距系统[D].武汉：武汉理工大学.2009.

推荐访问:测距仪 超声波 设计 MSP430F5438A

---