基于MSP430單片機的超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)設(shè)計

陳希湘，朱嶸濤，王錦莉

（長江大學(xué)工程技術(shù)學(xué)院，湖北 荊州434020）

0 引 言

近年來，隨著機動車數(shù)量的持續(xù)增長，公路、街道和停車場擁擠不堪，可利用倒車的空間越來越少，駕駛員不能及時了解車輛周邊尤其是后方的實時環(huán)境，導(dǎo)致駕駛員操作不及時，造成大量的交通事故[1?5]。本文提出了一種高精度的超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)，該系統(tǒng)以MSP430G2553單片機作為核心控制元件，利用超聲波進行距離測量，實現(xiàn)了實時的距離顯示和報警功能，使司機駕駛車輛的安全性得到了顯著提高。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計

1.1 測距方案的選擇

目前主流的倒車?yán)走_系統(tǒng)采用激光、紅外線、攝像系統(tǒng)、超聲波等測距技術(shù)，不同方法的測距技術(shù)，其工作過程有所不同，但基本原理都是通過前方返回的探測信息判斷車輛和障礙物之間的相對距離，并給出相應(yīng)的預(yù)警提示。由于超聲波指向性強、能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播的距離較遠(yuǎn)，在測量精度方面能達到工業(yè)實用的要求[6?8]，因此本文采用超聲波的測距方案。

1.2 系統(tǒng)整體設(shè)計

基于MSP430G2553單片機的超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)的整體框圖如圖1所示。

1）超聲波模塊：在后方、左側(cè)及右側(cè)三個方位發(fā)射、接收汽車和障礙物之間的超聲波信號。

2）按鍵控制模塊：實現(xiàn)三個不同方位的距離測量選擇和預(yù)警參考距離的設(shè)定。

3）MSP430單片機模塊：主控核心元件模塊實現(xiàn)汽車和障礙物之間距離的測量，并根據(jù)測量值與設(shè)定值的比較結(jié)果發(fā)出報警信息。

4）聲光報警模塊：當(dāng)收到單片機的預(yù)警信號時，利用不同顏色的LED燈及揚聲器進行報警提示。

5）OLED顯示模塊：實時顯示不同方位的距離信息及設(shè)定的預(yù)警值。

1.3 核心控制器的選擇

目前市場上大量使用的單片機主要有兩種，分別是STC公 司STC89系 列 和TI公 司MSP430系 列，由 于MSP430系列單片機具有更快的運算速度及功耗低等諸多優(yōu)點，所以本文采用MSP430G2553單片機作為核心控制器[9?11]。

1.4 硬件設(shè)計模塊

1.4.1 單片機與超聲波連接模塊

MSP430G2553單片機與超聲波連接模塊是整個系統(tǒng)的核心，單片機的P2.2、P2.3、P3.0引腳控制超聲波發(fā)送，P2.0、P2.1、P2.4引腳用來反饋接收回波。單片機與超聲波模塊連接圖如圖2所示。

圖2 單片機與超聲波模塊連接圖

1.4.2 OLED顯示模塊

當(dāng)DC置“0”時，OLED顯示屏執(zhí)行單片機輸入的命令；當(dāng)DC置“1”時，OLDE顯示屏顯示單片機傳送的數(shù)據(jù)。OLED模塊與單片機連接圖如圖3所示。

圖3 OLED模塊與MCU連接圖

1.4.3 按鍵控制及復(fù)位模塊

當(dāng)按下其中一個按鍵，此時對應(yīng)的P1口為低電平，在軟件程序消除機械抖動后，MSP430G2553單片機準(zhǔn)確地判斷按鍵是否被按下，實現(xiàn)了不同方位的距離測試及報警預(yù)設(shè)值設(shè)定的功能。

1.4.4 指示燈報警模塊

當(dāng)實際距離小于設(shè)定預(yù)警距離時，MSP430G2553單片機通過P3.1、P3.4、P2.5給指示燈報警電路一個低電平，此時對應(yīng)的發(fā)光二極管被點亮，給出警示信息。指示燈報警電路圖如圖4所示。

圖4 指示燈報警電路圖

2 超聲波倒車?yán)走_系統(tǒng)軟件設(shè)計

2.1 主程序流程圖

主程序流程圖如圖5所示。該程序?qū)崿F(xiàn)超聲波倒車?yán)走_測距和預(yù)警功能，可以設(shè)置不同的預(yù)警距離，當(dāng)測得的距離小于預(yù)警距離，系統(tǒng)自動發(fā)出報警信息，提醒駕駛員小心駕駛。

2.2 高電平持續(xù)時間計算程序設(shè)計模塊

當(dāng)超聲波模塊檢測到回波時，通過ECHO引腳發(fā)出一個高電平，該高電平所用時間便是超聲波從發(fā)出到接收的時間，只需計算出該時間，通過單片機可測得超聲波模塊與障礙物之間的實際距離?？梢岳肕SP430捕獲功能檢測一個高電平的時間，如果控制字CCTLX中的模式CAPX位置位，將選定捕獲模式。捕獲模式用于時間事件的精確定位。捕獲寄存器在該系統(tǒng)中的設(shè)置如下：

P2SEL=BIT0+BIT1+BIT4； //設(shè)置I/O選擇第二功能TA1CTL|=TASSEL_2+MC_2+TAIE+TACLR；//定時器控制寄存器設(shè)置TA1CCTL0=CM_1+SCS+CAP+CCIE；//捕獲模式，上升沿捕獲，中斷打開，同步捕捉TA1CCTL1=CM_1+SCS+CAP+CCIE；TA1CCTL2=CM_1+SCS+CAP+CCIE；

圖5 系統(tǒng)主程序流程圖

2.3 外部中斷功能設(shè)計模塊

為測得后方、左右兩側(cè)方位的距離，外部中斷模塊須從三個方向設(shè)置特定的按鍵。當(dāng)某一按鍵按下時，對應(yīng)的端口發(fā)生中斷，執(zhí)行相應(yīng)的中斷服務(wù)子程序。外部中斷流程圖如圖6所示。

圖6 外部中斷流程圖

2.4 顯示模塊設(shè)計

該OLED顯示屏本身不帶字庫，需要用到字庫取模軟件，本文采用的顯示方式為：以下方為高位，縱向八點，每次一個字節(jié)，由下往上顯示在屏幕上。若該位為“1”，則表明該點顯示，屏幕上顯示的高位點組合成字。

3 結(jié)果分析

3.1 實物測試數(shù)據(jù)分析

1）超聲波測距測試

超聲波在傳播過程中被障礙物遮擋時，接收端檢測到回波，OLED液晶顯示屏實時顯示此時超聲波到障礙物的距離。所有測試結(jié)果如表1所示。

表1 超聲波測試距離結(jié)果

2）超聲波倒車?yán)走_預(yù)警測試

當(dāng)障礙物與超聲波倒車?yán)走_裝置的距離小于設(shè)定值時，系統(tǒng)會自動發(fā)出預(yù)警信號，提醒駕駛員小心駕駛。為方便測試，將該系統(tǒng)三個方位的預(yù)警默認(rèn)值都設(shè)為15 cm。預(yù)警測試結(jié)果如表2所示。

表2 超聲波倒車?yán)走_預(yù)警測試結(jié)果

當(dāng)汽車左側(cè)到障礙物的距離小于設(shè)定值時，LED黃燈亮提示報警。當(dāng)汽車后側(cè)、右側(cè)距離同時小于設(shè)定值時，LED紅燈、綠燈同時亮。當(dāng)三個方位的距離都小于設(shè)定值時，3個LED燈同時點亮。

3.2 誤差分析

由于超聲波在空氣中的傳播速度會受到溫度的影響，其關(guān)系為：

式中：C為超聲波的傳播速度（單位：m/s）；t為溫度[12?13]（單位：℃）。

若要使該超聲波測距裝置測得更為精確的距離，必須時刻測量周圍的溫度，從而進一步提高精度。

4 結(jié) 語

駕駛員在倒車時，本系統(tǒng)能實現(xiàn)顯示汽車和障礙物在三個不同方位的距離，并給出預(yù)警提示，保障駕駛員的安全。經(jīng)過實際測試，結(jié)果表明該系統(tǒng)所測距離絕對誤差控制在±1.5 cm以內(nèi)，最大的相對誤差為1.14%，平均相對誤差為0.68%。該系統(tǒng)具有精度高、設(shè)計簡單、使用方便等優(yōu)點。