基于MSP430F5529单片机实现HC-SR04超声波测距 CCS IAR

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 pinsP2SEL |= BIT2;
//    P7DIR |= BIT7;                            // MCLK set out to pins
//    P7SEL |= BIT7;P5SEL |= BIT2+BIT3;                       // Port select XT2UCSCTL6 &= ~XT2OFF;                       // Enable XT2UCSCTL3 |= SELREF_2;                      // FLLref = REFO// Since LFXT1 is not used,// sourcing FLL with LFXT1 can cause// XT1OFFG flag to setUCSCTL4 |= SELA_2;                        // ACLK=REFO,SMCLK=DCO,MCLK=DCO// Loop until XT1,XT2 & DCO stabilizes - in this case loop until XT2 settlesdo{UCSCTL7 &= ~(XT2OFFG + XT1LFOFFG + DCOFFG);// Clear XT2,XT1,DCO fault flagsSFRIFG1 &= ~OFIFG;                      // Clear fault flags}while (SFRIFG1&OFIFG);                   // Test oscillator fault flagUCSCTL6 &= ~XT2DRIVE0;                    // Decrease XT2 Drive according to// expected frequencyUCSCTL4 |= 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/RXDUCA1CTL1 |= UCSWRST;                       // **Put state machine in reset**UCA1CTL1 |= UCSSEL__SMCLK ;                // SMCLKUCA1BR0 = 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 115200UCA1MCTL = UCBRS_6;                        // 输入的时钟源/串口通信速率的余数*8UCA1CTL1 &= ~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 &= ~BIT3unsigned 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 interruptcase  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 usedcase  4: break;                          // CCR2 not usedcase  6: break;                          // reservedcase  8: break;                          // reservedcase 10: break;                          // reservedcase 12: break;                          // reservedcase 14:TA0CTL &= ~TAIFG;if(cap_old   < cap_new ){cap_N += 1;}break;                          // overflowdefault: 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。

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：

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。