基于MSP430F149的超声波测距仪的研究.pdf

基于MSP430F149 的超声波测距仪的研究 基于MSP430F149 的超声波测距仪的研究 超声波测距的方法有多种，如相位检测法、声波幅值检测法和往返时间 检测法等。相位检测法虽然精度高，但检测范围有限；声波幅值法易受反 射波的影响。 在超声检测技术，特别是超声测量技术中使用最广泛的是超声脉冲反射 法，通过测量超声波经反射放大后到达接收端的时间与发射时间之差，实现 距离测量，称为TOF(Time of Flight)方法，也叫飞渡时间方法。飞渡时间法 实现简单，被广泛的应用于声学测距系统。它的原理是：超声波发射器发出 单个或一组超声波脉冲，在发射时刻同时计时器开始计时，超声波在空气中 传播，途中遇到被测目标，经过反射到达超声波接收端，此时停止计时器计 时，得到的时间t 就是超声波在发射器和被测目标之间来回传播的时间。 一 信号采集与处理电路 1.1 超声波发射模块 图1.1 超声波发射电路 发射模块主要作用是对超声波发射探头进行功率驱动，由单片机P2.O引脚输 出的40kHz的ACLK信号经CD4049转变成24V电压信号激励超声波探头，从而产生频 率为40kHz的超声波并发射出去。电路原理图如图1.1所示。由单片机的40kHz的 ACLK来驱动NPN型三极管S9013，这样就能在CD4049的输入引脚上加上幅值为12V， 频率为40kHz的方波信号，经过二进制非门CD4049桥电路移相整合后，其频率不 变，但是压差扩大一倍，这增大了超声波发射探头发出的超声波的幅值，从而提 高了超声波的传输距离，增大了超声波测距系统的量程。两个门并联连接以便每 一侧能够为发射探头提供足够的驱动电流。在超声波发射探头的输入引脚上串联 两个电容的作用是滤除驱动信号中的直流分量。由于MSP430的工作电压是3．3V， 而CD4049的工作电压是12V，MSP430与输出驱动器之间的逻辑电平不匹配，三极 管Q4就实现了这两种电平之间的转换。 1.2超声波接收模块 图1.2 超声波接收电路 接收模块主要由接收探头和放大电路组成，硬件电路图如图1.2所示。其 中放大电路是放大倍数较高的两级运算放大，放大倍数可以在10～200之间 调节，其作用是将从目标处反射回来的微弱信号进行放大，以便能越过阀值 触发比较器A。在单片机的引脚CA0处加上一个由与VCC反接的二极管构成限幅电 路，以保护单片机的输入引脚。运算放大器选用TI公司的TL072，它具有高增益 带宽并在40kHz时提供充分的高增益。R9、R12设置的放大倍数为4.5倍，R23采用 可调电阻，这一级的放大倍数值在l～50之间，可以根据输入信号的强弱程度来 调节其大小，放大器的同相输入端直接接地。运算放大器的输出端连接到比较器 A的CA0(即端口引脚P2.3。比较器A的参考电压由软件设定为单片机内部提供的 O.5VCC。当接收到的回波信号电压高于参考电压时,即触发比较器A,产生捕获， 捕获到计数器中的计数值，根据这个数值，即可计算出从发射到接收到回波所用 的时间，这就完成了一次测量。 二 MCS系统及接口及处理电路 在超声波测距系统中，选用TI公司的MSP430F149单片机作为系统的控制核心 叫，它是一种超低功耗的混合信号控制器。具有16位RISC结构，CPU中有16个寄 存器和常数发生器，这使得它能达到最高的代码效率；它具有灵活的时钟源，可 以达到最低的功率消耗。 MSP430F149的主要性能特点如下： 1、超低功耗；2、5种节电模式；3、从等待方式唤醒时间：6us；4、16位RISC 结构，150ns指令周期；5、基本时钟模块配置：高速晶体(最高8M)；低速晶体 (32kz):DCO；6、配合外部器件可构成单斜边A/D仍转换器；7、12位200kbps的A/D 转换器，自带采样保持；8、内部温度传感器；9、具有3个捕获，比较寄存器的 16位定时器Timer_A和Timer_B；10、两通道串行通信接口可用于异步或同步串行 通信；11、硬件乘法器；12、60KB FLASH ROM和2KB RAM；13、串行在系统编程； 14、安全熔丝的程序代码保护。 单片机的外围电路如图2.1所示。单片机的晶振选用40kHz的低频晶振，与超 声波传感器的振荡频率相匹配。单片机复位电路接一只100k的电阻到Vcc即可。 为了可靠，再加上一只104电容以消除干扰、杂波。二极管D2的作用有两个：一 个是将复位输入的