三維超聲波測距儀的設計

賈 強

(天津現代職業技術學院 天津300350)

三維超聲波測距儀的設計

賈 強

(天津現代職業技術學院 天津300350)

三維超聲波測距儀由電源電路、數碼管顯示電路、搖桿信號采集電路、舵機驅動電路、超聲波模塊、舵機云臺以及 MSP430單片機系統等幾部分組成。經實際測試證明，該類測距儀工作穩定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低、有良好的性價比。

MSP430單片機 超聲波 舵機 搖桿

0 引 言

三維超聲波測距儀是一種傳統實用的非接觸測量儀器，與激光、渦流和無線電測距方法相比，具有不受外界光及電磁場等因素影響的優點，在比較惡劣的環境中也具有一定的適應能力，比如有毒或腐蝕性化學物質液面高度的測量或高速公路上快速行駛汽車之間的距離等。此外，三維超聲波測距儀結構簡單、成本低，在工業控制、建筑測量、機器人定位方面得到了廣泛的應用。

目前市面上常見的超聲波測距系統價格昂貴、體積過大且精度不高，在一些中小規模的應用領域中難以得到推廣。為解決這一系列難題，本文設計了一款基于 MSP430單片機的低成本、高精度、微型化的超聲波測距儀。

1 三維超聲波測距儀的原理

發射器發出的超聲波以速度 v在空氣中傳播，在到達被測物體時被反射返回，由接收器接收，其往返時間為 t，由S＝vt/2即可計算出被測物體的距離。由于超聲波也是一種聲波，其聲速 v與溫度有關。在使用時，如果溫度變化不大，則可認為聲速是基本不變的。如果測距精度要求很高，則應該通過溫度補償的方法加以校正。

本設計的優點在于超聲波的明顯特征是方向性好、穿透性強，尤其是在光不透明的固體中，碰到雜質或分界面就有顯著的反射。用超聲波測距離是由測量發射的超聲波與接收到被測物體反射的回波之間的時間差來確定的。

2 設計方案

2.1 方案論證

2.1.1 方案1：數字電路實現

通過數字電路的一些編碼和解碼特性來設計。該方案的精確度不高，容易出現一些不良因素。數字電路雖然集成大于模擬電路，但控制并不方便，因此不適合本設計的要求。

2.1.2 方案2：單片機實現

單片機是一種集成電路芯片，是采用超大規模集成電路技術把具有數據處理能力的中央處理器CPU、隨機存儲器RAM、只讀存儲器ROM、多種I/O口和中斷系統、定時器/計數器等功能(可能還包括顯示驅動電路、脈寬調制電路、模擬多路轉換器、A/D轉換器等電路)集成到一塊硅片上構成的一個小而完善的微型計算機系統。單片機從 20世紀 80年代的4位、8位單片機，發展到現在300,M的高速單片機。它具有受集成度限制、片內存儲器容量較小、一般內ROM在8,KB以下、可靠性高、易擴展、控制功能強、易于開發等特點。

2.1.3 方案的比較

方案1的設計電路較為繁瑣；方案2的單片機具有電路簡單、方便、成本低等優點，便于使用，因此本設計采用MSP430單片機實現。

2.2 系統結構設計

此設計由數碼管模塊、超聲波模塊、舵機模塊、遙桿電位器、電源電路和 MSP430核心板構成，電源電路提供驅動電路所需的5,V電源；數碼管顯示電路由單片機直接控制；搖桿信號采集電路由搖桿電位器及AD信號分別控制舵機的橫向及縱向運轉；舵機驅動電路由單片機脈沖信號電路構成，超聲波模塊由超聲波測距傳感器及信號處理電路構成；舵機云臺為安裝舵機及超聲波模塊的機構。系統結構設計如圖 1所示。

圖1 系統結構設計圖Fig.1 System structural design drawing

3 主要元器件簡介

3.1 主芯片MSP430

MSP430系列單片機是一個 16位的單片機，采用了精簡指令集(RISC)結構，具有豐富的尋址方式(7種源操作數尋址、4種目的操作數尋址)、簡潔的27條內核指令以及大量的模擬指令；大量的寄存器以及片內數據存儲器都可參加多種運算；還有高效的查表處理指令。這些特點保證了可編制出高效率的源程序。

3.2 電源

開發板使用DC 5,V的外部供電，跳線J3實現了開關功能。電源接通后D6的LED點亮。

3.3 復位按鍵

S13為復位按鍵。按下復位按鈕，即可將程序復位，從頭開始執行。

3.4 鍵盤

開發板設有 12個按鍵，為 3×4的行列掃描鍵盤。使用P3.0到P3.7端口，P3.0、P3.1、P3.2為行線，P3.4、P3.5、P3.6、P3.7為列線。列線分別由上拉電阻拉到 VCC，在行線與列線的每一個交接處有一個按鍵，按鍵的兩端分別接在行線和列線上。如果有鍵按下，則與之相連的行線與列線被連通，即可檢測按鍵。

3.5 LCD顯示

LCD采用的是12,864點陣型液晶顯示屏。

3.6 LED

P9.0、P9.1、P9.2、P9.3、P9.4 口接有 LED，設置各口為輸出高電平時LED點亮，低電平時熄滅。

3.7 擴展IO口

開發板兩側的雙排插針。

4 硬件電路設計

4.1 MSP430核心板及下載口的原理圖(見圖2)

4.2 電源電路(見圖3)

4.3 數碼管顯示電路(見圖4)

4.4 搖桿電位器、舵機和超聲波接口電路圖(見圖5)

5 軟件設計(見圖6)

圖6 主程序流程圖及中斷流程圖Fig.6 Main program flow chart and interruption flow chart

6 系統框圖(見圖7)

圖7 系統框架圖Fig.7 System framework diagram

三維超聲波測距儀的系統模塊框圖主要描述了三維超聲波測距儀的 7大組成模塊以及模塊之間的相互關系。搖桿的電壓通過單片機的核心芯片進行采集然后傳給舵機，超聲波模塊通過核心芯片處理將測得的距離用數碼管顯示出來。

7 結 論

利用單片機設計的測距儀便于操作、讀數直觀。經實際測試證明，該類測距儀工作穩定，能滿足一般近距離測距的要求，且成本較低，具有良好的性價比。由于該系統中鎖相環鎖定需要一定時間，測得的距離有誤差，在汽車雷達應用中可忽略不計；但在精度要求較高的工業領域如機器人自動測距等方面，此誤差不能忽略，可以通過改變一些硬件的應用實現對超聲波的快速鎖定或根據需要在程序中加入測距軟件補償的代碼，使誤差進一步減小，以滿足更高的要求。

本設計完整實現后可測量 10,m以內的距離。由于超聲波的特性，測距時應保證傳感器與被測物之間以及測量軸線上不存在障礙物，且要盡量保證傳感器軸線與被測物表面垂直。實際測距范圍與被測物表面材料等因素有關，一般不建議測量表面為毛料的物體。

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Design of a Three-dimensional Ultrasonic Range Finder

JIA Qiang
(Tianjin Modern Vocational Technology College，Tianjin 300350，China)

The three-dimensional ultrasonic range finder is mainly composed of power circuit，digital tube display circuit，rocker arm signal acquisition circuit，servo drive circuit，ultrasonic module，steering gear cloud deck and MSP430,single chip microcomputer system. It was proved that the range finder features stabilization，low cost and good cost performance and may satisfy range finding requirements within close ranges.

MSP430,single chip microcomputer；ultrasonic wave；steering gear；rocker

TB51+7

A

1006-8945(2014)08-0026-04

2014-07-06