2020年02月10日 | 基于MSP430F5529单片机实现HC-SR04超声波测距 CCS & IAR

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("nncap_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;