羞耻心
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总第494期2020年5月（中）
摘要本设计是一种基于MSP430G2553单片机的超声波测距仪，电路采用模块化设计，发射模块发出超声波，探测到障碍物后反射超声波信号，接收模块接收并交给单片机进行处理，最终结合温度传感器采用时差法计算出往返距离。 关键词MSP430G2553；超声波；测距系统
Design of Ultrasonic Range Finder Based on MSP430G2553//Cui Jiaxu,Tao Junjie
Abstract This design is an ultrasonic rangefinder based on MSP430G2553single chip microcomputer.The circuit adopts modular design.The transmitting module sends out ultrasonic waves and reflects ultrasonic signals after detecting obstacles. The receiving module receives and sends the ultrasonic signals to the single chip microcomputer for processing.Finally,the return distance is calculated by time difference method combined with temperature sensor.
Key words MSP430G2553;ultrasonic wave;ranging system
1引言
近几年，随着我国科技水平的提高，测距手段变得十分先进和多样，目前已经有红外测距、激光测距和超声波测距等多种方法，前两种方法制作难度较大，成本较高，一般应用于军事测量和工业测量。超声波测距成本较低，操作简单，指向性强，能量消耗缓慢，易于做到实时控制，在民用测距的领域得到了广泛的应用。而且超声波测距可以在较差的环境中进行，对于被测物处于有灰尘、有毒、黑暗等恶劣环境下有一定的适应能力[1]。超声波测距时要求超声波测距仪与被测物体不直接接触并相隔一定的距离，以便能够清晰地测量出结果。因此，超声波测距仪常应用于泊车辅助系统、智能导盲系统、移动机器人等。 目前，常见的单片机有51系列、STC系列和MSP430系列等。51系列应用广泛、功能完备，但抗干扰能力不强；STC 系列抗干扰能力较强、功耗较低，但故障较高、集成资源较
少[2]。与上述相比，MSP430系列具有功能强大、集成度高、抗干扰能力强、成本低、市场流通性大、能进入低功耗模式运行，保证产品的时间长、损耗低、精度高、稳定性佳等特点。
综上所述，本文将基于MSP430G2553单片机进行超声波测距仪的设计。
2系统总体结构
超声波测距仪是利用超声波在两种介质的分界面上的反射特性而设计的。其发射电路发出超声波，探测到附近存在的任何障碍物，反射超声波信号。超声波换能器接收到的微弱信号耦合到前置放大电路放大，放大后的信号选频网络选出回波信号并形成脉冲触发MCU的中断。利用MCU的定时器可检测出超声波的传播时间，采用时差法计算出距障碍物的距离。
超声波测距仪系统由MCU、超声波发射电路、超声波接收电路、温度测量等电路组成，它是一体的超声波发射与接收装置，系统原理框图如图1所示。
2.1理论计算
时差法是利用检测声波发出至接收到被测物反射回波的时间来测量距离的方法，其原理是通过测量回波时间t （t=t
1
+t
2
），利用公式2-1可以计算出路程。
S=12tC（2-1）超声波的传播速度受温度的影响。超声波在空气中的传播速度，0℃时C为331.6m/s，其与环境温度T(单位：℃)的关系如下近似公式：
C≈331+0.607×T℃（2-2）用这个实时速度来计算所测量的实际距离，这样能使温度对超声波测距精度的影响降到最低。
2.2超声波测距的盲区
超声波从换能器发射后，在空间传播是有指向性的，其指向性最强的是主瓣，其余的为旁瓣。通常情况下，距参照物越远，声级越小，但是超过某一点之后又开始增加。这一区域被称作旁瓣。如果在旁瓣外反射周围物体，超声波的检
基于MSP430G2553超声波测距仪的设计
崔佳絮陶俊杰
（东北林业大学信息与计算机工程学院黑龙江·哈尔滨150000）
中图分类号：TH761.2文献标识码：A DOI：10.16871/jki.kjwhb.2020.05.037
作者简介：崔佳絮（1999—），女，本科在读，研究方向为通信工程；陶俊杰（1998—），男，本科在读，研究方向为通信工程。
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出特征可能会受到很大的影响。
超声波的指向性有着定向集中能量和减小干扰的优势，但是，旁瓣的出现会造成一定的干扰。超声波被障碍物反射的途中，超声波主瓣被接收机接收，同时旁瓣直接从超声波探头发出，也可能被接收机接收，这就是所谓的旁瓣干扰。
通常，在用时差法测距的过程中，超声波通过压电换能器中振子的振动产生，驱动脉冲停止后，余振又由压电换能器的惯性而产生，反映到接收端的信号上，产生“拖尾”。
所以，需要使用软件处理来避免旁瓣干扰，我们在发射超声波时上加了一段延时。考虑8个脉冲串的时间200μS，加上拖尾时间250μS，即盲区时间共为450μS。设标准状态下，声速为331.6m/S，对于距离较短和要求不高的场合，我们可认为空气中的声速为常数，25℃时C为347m/s。则不可测距离此即为测距盲区为：
347m/s×450×10-6≈15cm
3电路设计
3.1MSP430G2553最小系统电路
MSP430系列单片机的时钟系统可以使系统低功耗运行。通过对单片机三个内部时钟信号的理解和分配，功耗低、效率高的系统时钟方案我们很容易选择出来。通过对软件的修稿，MSP430G2553单片机的运行时可以由内部DCO提供时钟信号而不接外部晶振。
本设计需要显示测量的距离及温度数值，这里选用2.2寸TFT-LCD液晶屏作为显示器。TFT(Thin Film Transis-tor)-LCD即薄膜场效应晶体管LCD，是一种有源矩阵类型液晶显示器，具有优良的性能，适合大规模生产，成本低廉。
2.2寸的TFT-LCD显示屏即可满足设计需求。
3.2发射驱动电路
超声波传感器的发射驱动方式分为自激型与他激型。自激型振荡电路是指不外加激励信号而自行产生的恒稳和持续的振荡（皮尔斯振荡器）。他激型驱动电路可以使用多谐振荡器或MCU产生振荡信号，该驱动方式可以对振荡频
率进行自由选择，但是频率不够稳定。
为了使超声波传感器的能量保证需求，既要使接收信号幅度尽量准确，又要使接收信号的长
度尽量缩短，所以我们选择产生频率为40KHz的
8个脉冲的脉冲簇来保证实验的完成，并由
MAX3232驱动换能器发射超声波，脉冲簇由
MSP430G2553控制定时器的比较匹配模块产生。
使用压电式超声波探头作为发射探头和接收探头，发射探头的原理是利用逆压电效应将高
频电振动转换成高频机械振动，从而产生超声波；接收探头的原理是利用正压电效应是将超声振动波转换成电信号。本设计选用压电振动式超生传感器TCT40-16R/T(直径16mm）。
3.3接收电路
接收电路部分由三大电路组成，分别是多反馈有源二阶带通滤波器、放大器电路和滞环比较器脉冲电路。
由超声波传感器的频率特性可知，超声波接收传感器只有适合于输入阻抗高的前置放大器，才能获得高接收灵敏度，所以在测量远距离目标时，根据本设计使用的两级高增益线性放大器，可获得高接收灵敏度。并且用中心频率为40KHz有源二阶带通滤波器对信号进行选频后，可以有效地将被一同放大的干扰信号滤除。另一方面，多路反馈有源二阶带通滤波器（MFBP）主要特点是元器件的数量少，所以对元件容差的灵敏度能降到最低程度。
根据正压电效应，超声波接收传感器能将超声振动波转换成电信号。为避免由于较弱的电信号而带来精度低的问题，我们利用前置放大器将其放大到一定宽度后，再将其发送到选择频率电路中进行处理。在电源设计上，虽然许多交流放大器需要双电源，但由于此设计使用了LM324集成运算放大器的SUB单电源，因此，它可以选择单电源或双电源。
MSP430G2553控制定时器的捕获比较模块的主要原理是由施密特触发器构成脉冲形成电路触发。而滞回比较器因其具有的滞回特性，进而也就具有一定的抗干扰能力，本设计选用的是同相滞回比较器。
3.4温度测量电路
超声波属于声波，其传播速度与传播介质和温度有关，在15℃的空气中其传播速度约为340m/s，并且在一定范围内，其传播速度与温度成线性正相关，所以当要求使用超声波测量精度为1mm的距离时，
则必须考虑到周围环境温度对于超声波传播的影响。这时外部电路简单、硬件开销低、抗干扰能力强且使用方便的DS18B20温度传感器则成为了我们的不二选择，因此在本设计中使用DS18B20数字温
度
图1超声波测距仪系统框图
(下转第95页)
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传感器来测量环境温度，通过不断地校正超声波的传播速度来提高测量的精度。
4程序设计
4.1主程序设计
根据设计目标首先要对系统各模块子程序进行初始化，并且初始化一些需要使用到的外设模块。根据这一思路，系统程序流程由以下几个过程组成：
（1）初始化LCD显示器；
（2）本设计选用TA0产生200μS的定时信号，并由P1. 6输出连续发射8个方波40KHZ的脉冲；
（3）为消除压电换能器拖尾的旁瓣干扰，延时250μS开P2.0接收中断；
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（4）用TA1CCR0捕获P2.0接收回波，并产生中断请求，在中断服务程序中读取超声波传播时间；
（5）在主程序计算距离并显示；
（6）延时100mS，开始下一次距离测量。
4.2接收中断服务子程序设计
超声波测距仪的驱动信号采用他激方式，即由MCU给发射电路提供频率为40KHz的8个脉冲。在启动发射电路的同时，启动定时器，实现起始时刻的同步。定时器捕获到回波关闭定时器，得到回波时间，计算测量距离并显示，返回主程序。
5系统测试
系统调试完后我们对测量误差和重复一致性进行多次实验分析，不断优化系统使其达到实际使用的测量要求。根据所设计的测距仪能测的范围为20cm～100cm，测距仪最大误差不超过1cm的技术指标要求，用精度为mm的卷尺校准测量值。
钴606结语
本文对系统的整体方案、电路设计和程序设计进行了详细的描述，该系统对近距离障碍物进行实时测量具有操作简单、应用范围广等特点，具有很强的可靠性，盲区范围很小。但是测量的距离有待提高，测量时的可靠性还要加强，后续的很多地方需要改进，此研究对于超声波探测的发展起着积极作用。
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