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基于MSP430F149单片机的超声波测距系统设计

毕业设计...本文详细介绍了一种基于单片机的单脉冲反射式超声测距系统。该系统以空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离。并且描述了系统研制的理论基础,超声传感器等部分的电路设计以及使用了性能优良的单片机MSP430F149后对系统所起的积极作用。课题初步计划是在室内范围的测距。系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的。 超声测距系统的设计原理以达到更优的系统性能为目的。并且采用MSP430F149微控制器,完成数据的采集,处理,显示。论文概述了超声检测的发展及基本原理,介绍超声传感器的原理及特性。对于测距系统的一些主要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功能的基础上,提出了系统的总体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论证。进一步介绍了单片机MSP430F149应用在系统中的应用,分析了系统各部分的硬件及软件实现。最后给出了室内实验结果及误差分析。
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目 录
摘 要....................................................................................................................................................................2
ABSTRACT.......................................................................................................................................................3
1. 绪论.................................................................................................................................................................4
1.1 系统背景...................................................................................................................................................4
1.2 研究内容...................................................................................................................................................5
1.3 研究方法和技术路线...............................................................................................................................6
1.4 预期的研究目标.......................................................................................................................................6
2.超声波测距系统电路设计...........................................................................................................................6
2.1 主要芯片介绍...........................................................................................................................................6
2.1.1 主要功能特性..................................................................................................... 7
2.1.2 主要管脚及功能................................................................................................. 7
2.2 超声波传感器测距工作原理.................................................................................................................10
2.3 系统组成.................................................................................................................................................12
2.3.1 硬件部分.........................................................................................................12
2.3.2 软件部分.........................................................................................................12
2.4 硬件电路设计.........................................................................................................................................12
2.4.1 单片机系统及显示电路......................................................................................12
2.4.2 发射与接收电路原理设计...................................................................................15
2.5 系统程序设计.........................................................................................................................................17
2.5.1 设备初始化子程序.............................................................................................17
2.5.2 主循环程序...................................................................................................... 17
2.5.3计算子程序......................................................................................................18
2.5.4 BT_ISR 子程序.................................................................................................19
2.5.5显示子程序......................................................................................................19
2.5.6 延时子程序......................................................................................................19
2.6 误差分析.................................................................................................................................................19
3.实验结果及分析............................................................................................................................................20
结束语...............................................................................................................................................................20
附录...................................................................................................................................................................21
附录 1 单片机及显示电路原理图....................................................................................................................21
附录 2 超声波测距控制源程序........................................................................................................................22
参考文献...........................................................................................................................................................29
致 谢..................................................................................................................................................................30
I

基于 MSP430F149 单片机的超声波
测距系统设计
摘 要
本文详细介绍了一种基于单片机的单脉冲反射式超声测距系统。该系统以
空气中超声波的传播速度为确定条件,利用反射超声波测量待测距离。并且描
述了系统研制的理论基础,超声传感器等部分的电路设计以及使用了性能优良
的单片机 MSP430F149 后对系统所起的积极作用。课题初步计划是在室内范
围的测距。系统的设计及器件的选择也正是在这个基础上进行的。
超 声 测 距系 统 的 设 计 原理 以 达 到 更 优的 系 统 性 能 为目 的 。 并 且 采用
MSP430F149 微控制器,完成数据的采集,处理,显示。论文概述了超声检
测的发展及基本原理,介绍超声传感器的原理及特性。对于测距系统的一些主
要参数进行了讨论。并且在介绍超声测距系统功能的基础上,提出了系统的总
体构成。针对测距系统发射、接收、检测、显示部分的总体设计方案进行了论
证。进一步介绍了单片机 MSP430F149 应用在系统中的应用,分析了系统各
部分的硬件及软件实现。最后给出了室内实验结果及误差分析。
关键词:超声波,单片机 MSP430F149,传感器,测距仪

Ultrasonic Distance Measurement Ssystem Based on
MSP430F149 Microcontroller
Abstract
The thesis introduces a kind of single-pulse reflection ultrasonic distance meter
system in detail based on microcontronller . The system could measure certain
distance with the reflected wave on condition in which the speed of transmitting wave
is fixed . It generally specifies the theoretical foundation of the system , the
electronic design of the ultrasonic sensor ,Because the project is the initial part of
ultras signal detection based on MSP430F149 microcontroller,it is limited in indoor
range in advance.So the design of the system and the choice of the components are
decided according to the reason.
The scheme of each part is designed to acquire better performance of the
system.Moreover, the MSP430F149 microcontroller is employed in this system to
achieve the fiction of collecting ,processing,and displaying of data.This paper
summarizes the development and fundamental principle of ultrasonic
detection.Then it,presents the theory and characters of ultrasonic sensor.At the
same time , it discusses a number of main technical parameters . Moreover, it
proposes the whole structure of the system by introducing the function of ultrasonic
distance meter.And then the transmission,receiver, detection,display scheme of
this distance meter system is brought out . Specially, after the application of
MSP430F149 microcontroller,it analyzes the hardware and software realization of
each part in this system . At last the result and error analysis of the experiments is

presented.
Keywords: Ultrasonic wave, MCU MSP430F149, Sensors, Location
1. 绪论
1.1 系统背景
在早些年使用电脑的时候超声波测距技术制作基于微处理器的超声波测距
仪,不仅能够定点和连续测距而且能够方便的提供遥测或遥控所需的信号采用
超声波测量大气中的地面距离,是近代电子技术发展才获得正式应用的技术,
由于超声测距是一种非接触检测技术,不受光线、被测对象颜色等的影响,在
较恶劣的环境(如含粉尘)具有一定的适应能力
[1]
。与激光测距、红外线测距相比,
超声波对外界光线、色彩和电磁场不敏感,更适于黑暗、电磁干扰强、有毒、
灰尘或烟雾的恶劣环境,在识别透明及漫反射差的物体上更由优势。利用超声
波测量地面距离的方法,是利用光电技术实现的,超声测距仪的优点是仪器造
价比光波测距仪低,省力、操作方便
[2]
。
由于超声波易于定向发射,方向性好,强度好控制,它的应用价值己被普
遍重视。信息高度发达、生活快节奏的现代社会中,电子信息技术的应用越来
越广泛,在生活中已投入使用的有:电视机、手机、电脑、先进的工业控制系
统、通信雷达系统和卫星遥感系统,甚至是智能机器人、无人侦查飞机等无一
例外的不使用到电子信息技术。现代信息技术主要包括计算机技术、通信技术
和传感器技术;其中,计算机相当于人的大脑,通信相当于人的神经,而传感
器就相当于人的感官。由于传感器的重要性,各发达国家都将其视为现代高新
技术发展的关键,我国在 20 世纪 80 年代以来也已将其列为国家高新技术发展
的重点
[3]
。
21 世纪是人类进入信息电子化的时代,作为现代信息技术的三大支柱之
一的传感器技术必将有更大的发展空间。有专家认为我国今后传感器方面的研

究和开发应用方向是:微电子机械系统、汽车传感器、环保传感器、工业过程
控制传感器、医疗卫生和食品业检测传感器以及新型敏感材料等。现代电子技
术和计算机为信息转换和处理提供了极其完善的手段,使检测与控制技术发展
到崭新阶段。超声波测距系统的应用不仅仅大大减轻了测距人员的工作强度,
对许多常规测量所无法实现的检测进行因能进行有效地测量,进一步扩大了测
量的广度,而且超声波测量本身具有很高的测量精度,因此对精度的提高也起
到了一定的作用
[4]
。
总之,由以上分析可看出:利用超声波测距,在许多方面有很多优势。超声
波传感器作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间,
它将朝着更加高定位高精度的方向发展,以满足日益发展的社会需求,如声纳
的发展趋势基本为:研制具有更高定位精度的被动测距声纳,以满足水中武器
实施全隐蔽攻击的需要;继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳,
实现超远程的被动探测和识别;无庸置疑,未来的超声波传感器将与自动化智
能化接轨,与其他的传感器集成和融合,形成多传感器。随着传感器的技术进
步,传感器将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造
力。
超声波测距器,可以应用于汽车倒车、建筑施工工地以及一些工业现场的
位置监控,也可用于如液位、井深、管道长度的测量等场合。由于声速远小于
光线和无线电波在空气中的传播速度,超声波测距法电路简单、造价较低。但
是超声波测距也有他固有一些缺陷,首先是超声波在空气中衰减极大,由于测
量距离的不同,造成回波信号的起伏,使回波到达时间的测量产生较大的误差。
当然还有温度和风速的影响,但影响超声波测距精度的主要还是回波到达时间
的检测误差,正确检测回波到达时间,能使超声波测距精度获得提高
[5]
。
1.2 研究内容
本设计从 MSP430F149 单片机、超声波传感器的原理和特性出发,对超声
波测距技术中的控制、信息采集技术进行了较为详尽的分析,参照工程设计的
基本方法,分析系统可行性、可靠性后,确立结构化设计的基本思路。从各功
能模块一一设计。讨论如何正确检测回波到达时间,并给出了相应电路设计。
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