基于MSP430F5529单片机实现HC-SR04超声波测距 CCS & IAR
基于MSP430F5529单片机实现HC-SR04超声波测距 CCS & IAR
- 项目介绍
- 项目准备
- 实现原理
- 软件设计
- UCS设置
- USCI_UART设置
- TIMER_A设置
- 主函数
- 测试结果
- 总结
- 附录
- 温度补偿
如需《ccs软件使用方法》 请联系群主或管理员，群号：176242843 。
2019.07.21更新：
可在qq群下载基于MSP430G2553单片机的HC-SR04超声波测距程序，测距原理与本文一致，开发环境为CCS，可快速移植到IAR。
2019.06.19更新：
可在qq群下载基于CCS & IAR开发环境编写的程序。
项目介绍
本设计基于TI公司的MSP430F5529单片机与超声波测距模块HC-SR04实现距离测量，使用ccs软件进行编程，利用单片机定时器的捕获模块捕获超声波高电平持续的时间，再根据公式计算出距离值。
项目准备
1. 开发环境（PC、CCS软件）
2. MSP-EXP430F5529LP .
3. HC-sr04
4. 直尺或其他量度工具
实现原理
如图，只需要提供一个 10uS 以上脉冲触发信号，该模块内部将发出 8 个 40kHz 周期电平并检测回波。一旦检测到有回波信号则输出回响信号。回响信号的脉冲宽度与所测的距离成正比。 由此通过发射信号到收到的回响信号时间间隔可以计算得到距离。
本项目中通过单片机 IO 口P1.3输出10us的高电平给超声波模块 Trig触发测距，模块自动发送 8 个 40khz 的方波，自动检测是否有信号返回； 有信号返回时 通过 IO 口P1.2 TA0.1捕获 Echo输出一个高电平， 高电平持续的时间就是超声波从发射到返回的时间。通过单片机定时器的捕获模块捕获超声波高电平持续的时间，再根据公式计算出距离值。
距离公式：
距离 = ( 高电平时间 x 声速 (340M/s)) / 2
软件设计
UCS设置
单片机时钟模块默认使用的是内部DCOCLKDIV 1.048576MHZ，本项目中使用XT2外接的4MHz高频晶振，将系统配置为;
MCLK = SMCLK = XT2 = 4MHz
void UCS_Init(void)
{
// P1DIR |= BIT0; // ACLK set out to pins
// P1SEL |= BIT0;
P2DIR |= BIT2; // SMCLK set out to pins
P2SEL |= BIT2;
// P7DIR |= BIT7; // MCLK set out to pins
// P7SEL |= BIT7;
P5SEL |= BIT2+BIT3; // Port select XT2
UCSCTL6 &= ~XT2OFF; // Enable XT2
UCSCTL3 |= SELREF_2; // FLLref = REFO
// Since LFXT1 is not used,
// sourcing FLL with LFXT1 can cause
// XT1OFFG flag to set
UCSCTL4 |= SELA_2; // ACLK=REFO,SMCLK=DCO,MCLK=DCO
// Loop until XT1,XT2 & DCO stabilizes - in this case loop until XT2 settles
do
{
UCSCTL7 &= ~(XT2OFFG + XT1LFOFFG + DCOFFG);
// Clear XT2,XT1,DCO fault flags
SFRIFG1 &= ~OFIFG; // Clear fault flags
}while (SFRIFG1&OFIFG); // Test oscillator fault flag
UCSCTL6 &= ~XT2DRIVE0; // Decrease XT2 Drive according to
// expected frequency
UCSCTL4 |= SELS_5 + SELM_5; // SMCLK=MCLK=XT2
}
USCI_UART设置
对于给定的BRCLK时钟源，使用的波特率决定了所需的分频因子N：
N = f BRCLK / Baudrate
因子N通常是非整数值，因此，使用至少一个除法器和一个调制器级来尽可能地满足该因子。 如果N等于或大于16，则可以通过设置UCOS16来选择过采样波特率生成模式。
在低频模式下，除数的整数部分由预分频器实现：
UCBRx = INT（N）
并且分数部分由调制器实现，具有以下标称公式：
UCBRSx =round [（N - INT（N））×8]
将UCBRSx设置递增或递减一个计数可以为任何给定位提供较低的最大位错误。 要确定是否是这种情况，必须为每个UCBRSx设置的每个位执行详细的错误计算。
在过采样模式下，预分频器设置为：
UCBRx = INT（N / 16）
并且第一级调制器设置为：
UCBRFx = round（[（N / 16） - INT（N / 16）]×16）
当需要更高的精度时，UCBRSx调制器也可以使用0到7的值来实现。要找到给出任何给定位的最低最大误码率的设置，必须对UCBRSx的所有设置执行详细的误差计算。 初始UCBRFx设置为0到7，UCBRFx设置递增并递减1。
在本项目中将通过串口打印距离值到PC端，将串口配置为 115200 8N1
首先配置串口输入时钟，工作模式等，然后配置串口的波特率：
UCBR0 = 4000000 / 115200 = 34.722222222222222222222222222222 则：UCBR0 = 34
UCBRSx =（34.72 - 34）× 8 = 5.76 四舍五入后 UCBRS = 6
void Uart_Init(void) // 115200 8N1
{
P4SEL |= BIT4+BIT5; // P4.4,5 = USA1 TXD/RXD
UCA1CTL1 |= UCSWRST; // **Put state machine in reset**
UCA1CTL1 |= UCSSEL__SMCLK ; // SMCLK
UCA1BR0 = 34; // 4MHz 115200 (see User's Guide)
// UCA1BR0 = 输入的时钟源/串口通信速率 （取整）
UCA1BR1 = 0; // 4MHz 115200
UCA1MCTL = UCBRS_6; // 输入的时钟源/串口通信速率的余数*8
UCA1CTL1 &= ~UCSWRST; // **Initialize USCI state machine**
// __bis_SR_register(GIE); // Enter LPM0, interrupts enabled
}
TIMER_A设置
本项目中需要用到定时器的捕获模式，通过TAxCTL设置输入时钟、工作模式、中断允许等（TA0CTL）。
本项目通过P1.2即TA0.1捕获超声波模块Echo引脚输出的高电平时长，配置TAxCCTLn设置工作模式、输入设置、中断允许等（TA0CCTL1）。
配置完定时器的寄存器以后，在中断程序中计算距离值。捕获原理很简单，通过捕获电平的变化，进而得到高电平持续持续时间，首先使用捕获模式的上升沿捕获，当捕获事件发生时会触发中断，在中断中记录TA0CCR1的值并将捕获模式设置为下降沿触发，然后计算距离值，也可在中断外部计算，中断中获取定时器值。
#define Trig1(a) if(a==1) P1OUT |= BIT3; else P1OUT &= ~BIT3
unsigned int cap_new = 0; // 首次捕捉的ta0r值
unsigned int cap_old = 0; // 二次捕捉的ta0r值
//char test_num = 10; // 测量次数
char cap_N = 0; // 溢出次数
char state = 0x00; // zhuangtai
long cap_data = 0; // 距离值
//unsigned int dat[test_num]; //通过数组存10次测量值
void Hc_sr_Init(void) // 超声波模块初始化
{
/*
* P1.2 为echo引脚 捕获模式
* P1.2 具有端口中断的通用数字I / O ，TA0 CCR1捕获：CCI1A输入，比较：Out1输出 BSL接收输入
* P1.3 为Trig 数字i/o模式
* P1.3 具有端口中断的通用数字I / O ， TA0 CCR2捕获：CCI2A输入，比较：Out2输出
*/
P1OUT &= ~( BIT2 + BIT3 );
P1DIR |= BIT3;
P1SEL |= BIT2;
/*
* note：由于选用的是P1.2 根据端口定义可知，使用的是TA0CCR1，捕获输入引脚通过TA0CCTL1寄存器控制，
*-捕获值存储在TA0CCR1中。
* TASSEL：SNCLK; 分频：4MHz/8 = 500k；计数模式：0 ==> 0xFFFF;
* TA0CCTL1：上升沿捕获 ；同步捕捉；捕获模式；CCI1A输入；
*/
TA0CTL = TASSEL__SMCLK + ID__8 + MC_2 + TACLR + TAIE;
TA0CCTL1 = CM_1 + SCS +CAP + CCIE + CCIS_0;
}
void Hc_sr_Open(void) //生成一个持续10us的高电平
{
Trig1(1);
__delay_cycles(40);
Trig1(0);
}
#pragma vector=TIMER0_A1_VECTOR
__interrupt void TIMER0_A1_ISR(void)
{
switch(__even_in_range(TA0IV,14))
{
case 0:break; // No interrupt
case 2:
state = TA0CCTL1 >> 14;
TA0CCTL1 &= ~CCIFG;
if( TA0CCTL1 & CM_1){
cap_new = TA0CCR1;
TA0CCTL1 &= ~CM_1;
TA0CCTL1 |= CM_2;
}else if ( TA0CCTL1 & CM_2){
cap_old = TA0CCR1;
cap_data = ( cap_old - cap_new ) * 0.34;
UARTprintf("\n\ncap_data: %u mm",cap_data);
TA0CCTL1 &= ~CM_2;
TA0CCTL1 |= CM_1;
}else UARTprintf("\nstate: %x",state); // 判断CM位捕捉模式
// UARTprintf("\n yes! ccr1 \nTA0 CCR1: %u TA0R: %u",TA0CCR1,TA0R);
break; // CCR1 not used
case 4: break; // CCR2 not used
case 6: break; // reserved
case 8: break; // reserved
case 10: break; // reserved
case 12: break; // reserved
case 14:
TA0CTL &= ~TAIFG;
if(cap_old < cap_new ){
cap_N += 1;
}
break; // overflow
default: break;
}
}
主函数
主函数中对各个模块初始化，死循环执行超声波模块触发函数。
int main(void) {
WDT_A_hold(WDT_A_BASE);
UCS_Init();
Uart_Init();
Hc_sr_Init();
__bis_SR_register(GIE);
UARTprintf("\nInitialization is complete!");
while(1){
Hc_sr_Open();
__delay_cycles(1000000);
}
}
测试结果
由于室内空间有限，只测试了部分距离。为了方便观察数据，对数据进行了简单的换算。测试中发现，在距离较近时误差较大，引起误差的原因很多，例如程序算法、模块自身、温度等，本项目仅实现简单的超声波测距功能，如需高精度的测量可为其添加温度补偿功能，进一步提高测量精度。
| 测试距离（CM） | 实际距离（CM） |
|---|---|
| 4 | 4.3 |
| 8 | 8.2 |
| 10 | 10.1 |
| 20 | 20.1 |
| 30 | 30.1 |
| 190 | 191 |
总结
本项目实现了一个简单的超声波测距功能，其中最复杂的部分属于定时器模块的配置。在设计中通过串口输出温度值，可能对测试值产生误差。在项目期间遇到了只能测量10厘米以上的距离，经过测试后发现是算法原因，原因是声速值取错了，导致不能测量十厘米以下的距离。
附录
温度补偿
公式：
| 温度(℃) | -30 | -20 | -10 | 0 | 10 | 20 | 30 | 100 |
|---|---|---|---|---|---|---|---|---|
| 声速(M/S) | 313 | 319 | 325 | 332 | 338 | 344 | 349 | 386 |
第一次写，经验不足，如有不足或错误，敬请指教。
如需程序源码请私信或加QQ群：176242843
原创作品，转载请注明。