基于MSP430F5438A超聲波測距儀的設計

摘 要：本設計介紹了一種高精度、微型化數字顯示超聲波測距儀的硬件電路和軟件設計思路，系統以MSP430F5438A控制器為主控核心，電路采用模塊化設計，控制發射模塊發射超聲波。聲波在傳送過程中碰到障礙物產生反射，接收模塊接受回波，交給單片機計算處理。同時，結合溫度傳感器，計算出環境溫度對應的聲速，計算出往返距離。

關鍵詞：MSP430F5438A；超聲波；溫度傳感器

隨著電子技術的發展，出現了激光測距、微波雷達測距超聲波測距等幾種方式。前2種方法由于成本高、技術難度大，一般僅用于建筑測量和軍事工業，而超聲波測距則由于其技術難度相對較低，且成本低廉，在民用測距儀中的應用越來越廣。這是一個正在蓬勃發展而又有無限前景的技術及產業領域，作為一種非接觸式的檢測方法，朝著更加高定位高精度的方向發展。它不受被測對象顏色的影響。對于被測物處于煙霧、電磁干擾、黑暗、有灰塵、有毒等惡劣的環境下有一定的適應能力。因此在液位測量、車輛防撞雷達等方面有廣泛應用。而且超聲波傳感器具有結構簡單、體積小、信號處理可靠等特點。因此本設計也是利用超聲波來測量距離。

1 設計思路

超聲波測距的原理一般采用渡越世間法TOF（timeofflight）。原理是測量出超聲波從發射到經過障礙物反射的回波到達發射探頭的時間，實際上是測量時間。從發射超聲波至接收回波所經歷的射程時間，時間值乘以超聲波的傳播速度就可以得聲源與障礙物之間的往返距離。

采用MSP430F5438A為主控制器，使用16M晶振，其處理速度快，容量大而且自帶功能齊全。本設計中用到了MSP430F5438A芯片內部集成溫度傳感器，不僅簡化了外圍電路和降低硬件成本，而且還減小了測量誤差，測量精度理論上可以達到毫米級。

選用HC-SR04超聲波傳感器，這種型號的傳感器本身集成了濾波、積分比較電路，外圍電路設計較為簡單。系統總體框圖如圖1所示。

設超聲波探頭與被測物體之間的距離s，往返時間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為v，則距離s可有公式1-1得出

垂直距離d與高度h關系如公式1-2所示。

一般測距過程中，兩探頭間的距離很小，若d遠大于h，本文中，h可以忽略不計，所以可以認為d=s。

2 控制設計

2.1 主控電路

該系統控制器采用TI公司的MSP430F5438A單片機，采用16MHz外部晶體振蕩器，減小因內部溫漂引起的工作頻率誤差。單片機內部TB定時器工作在PWM模式，輸出超聲波傳感器所需的40KHz的方波信號，利用中斷口監測超聲波接收電路輸出的返回信號，控制器通過檢測外部中斷信號，當中斷口引腳的輸入電平由高到低產生下降沿時，就可判斷信號已經返回，根據計數器所計的數值就可以計算出超聲波傳播中所經歷的時間。

2.2 誤差影響

超聲波測距的主要誤差來源于控制器振蕩器的誤差、中斷到中斷響應停止計時之間的滯后引起的計時器本身誤差和外部環境（溫度、壓力、濕度）對聲速的影響三大部分。

一般情況下，控制器內部晶振由于工藝和溫度影響，穩定度在2%左右，故對測量會造成較大誤差。多數外部晶振穩定度在20-50PPM級別，故選取質量好的晶振，可以顯著減小系統誤差。

外部邊沿信號觸發中斷到控制器響應中斷讀取定時器值，需要耗費多個不固定指令周期，對于短距離測量，誤差會相應增加。為了避免滯后引起的誤差，選用定時器的捕捉方式對邊沿觸發信號進行捕捉。這樣，控制器就不會因為響應中斷而引起計數值的誤差。

由于外部環境的溫度、壓力、濕度不同，音速會變化，檢測電路的靈敏度也會變化。尤其是溫度的影響最大，但后兩個變化一般可以忽略。為了修正溫度對測量的影響，通常可以借助溫度補償計算對音速變化進行修正，具體如公式2-1所示。

其中T為當前環境溫度，對應關系如圖2所示。

MSP430F5438A單片機內部集成了溫度傳感器，可通過ADC內部通道進行訪問，節省了另外設計外部溫度傳感器電路的成本。

3 系統整體測試

經過實驗測試和分析，設計測量范圍為3.1mm——2.15m，最大誤差不超過1mm。同時，為了減小誤差，使用軟件方法對數據進行多次測量，對所測得每組數據去掉最大值和最小值，選取范圍較接近的值，再求出平均值，用來作為最終的測量數據輸出。

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