毕业设计超声波语音测距仪的设计综述.docx
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毕业设计超声波语音测距仪的设计综述
超声波语音测距仪的设计
摘要：
超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，所以，在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用较为普遍的一种。
本设计介绍了一种基于单片机实时语音播报，带有LED数码显示功能的脉冲反射式超声波测距系统。
利用AT89C51定时功能来计算超声波在媒质中的传播时间，进而计算出超声波在媒质中的传播距离。
超声波测距仪硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、温度检测电路、语音电路、超声波发射电路和超声接收波检测电路六部分。
该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检测速度快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
关键词：
超声波，测距系统，单片机，温度，LED，语音
Abstract:
Ultrasonichasastrongpoint、Slowenergyconsumption、LongDistanceTransmissionEtc.,sotheuseofsensortechnologyandautomaticcontroltechnologyintheprogramcombinesdistance,ultrasonicdistancemeasurementisamoregeneraluse.Thisdesignintroducesareal-timevoicebroadcastbasedmicrocontrollerwithLEDdigitaldisplayofpulsereflectiontypeultrasonicrangingsystem.UsingAT89C51timingfunctiontocalculateultrasoundinmediumtransmissiontime,thenCalculateultrasoundinmediumtransmissiondistance.Ultrasonicrangefinderincludinghardwaredesignisdisplaycircuitandmicrocontrollersystem、voicecircuit、ultrasonicwavetransmitterandultrasonicreceiverdetectioncircuitsixparts.Thesystemcircuitdesignisreasonable、stable、goodperformance、testspeed、andcalculationissimpleandeasytodoreal-timecontrolandmeasurementprecisioncanbeachievedinthepracticalrequirementsofindustry.
Keywords:
Ultrasonic，Rangingsystem，MCU，Temperature，LED，Voice
1前言
超声波是指频率在人耳听不见的声波。
正常人的听觉可以听到20HZ-20KHZ的声波，低于20HZ的声波称为次声波或亚声波，超过20KHZ的声波称为超声波。
超声波是声波大家族中的一员，和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常以纵波的方式在弹性介质内传播，是一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。
随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井深、液位、管道长度测量等场合，传统的测距方法根本无法完成测量任务。
还有在很多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也不能很好地完成测量任务。
于是一种新的测距方法——非接触测距应运而生。
目前，非接触式测距仪常采用超声波、激光和雷达。
但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其局限性。
相比之下，超声波方法具有明显突出的优点：
（1）超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强、能量消耗缓慢，因此可以直接测量较近目标的距离；
（2）超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物体（例如玻璃、抛光体）；
（3）超声波对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；
（4）超声波传感器结构简单、体积小、费用低、信息处理简单可靠，易于小型化与集成化,并且可以实时控制。
超声波用于非接触测量，是通过计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输时间来测量距离的，对被测目标无损害。
而且超声波传播速度在相当大范围内与频率无关．超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。
因为这种方法是一种非接触式的测量．使之能够在些特定场合或环境比较恶劣的环境下使用。
例如有毒、有腐蚀性化学物质的液面高度或高速公路上快速行驶的汽车之间距离的测量等。
随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。
但就目前技术水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展而又有无限前景的技术及产业领域。
展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：
研制具有更高定位精度的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和识别；研制更适合于浅海工作的潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳的工作环境。
无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距仪集成和融合，形成多测距仪。
随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。
在新的世纪里，面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
超声波测距的原理是：
测取超声波从发射地至目的地传输所经过的时间T，通过公式下式求出距离S：
S=CT/2式中，C为超声波传播的速度。
超声波传播的速度与环境温度t有关，其关系可由下式来式描述：
C=331.5+0.607t从上式可知，超声波传播的速度随温度的升高而变快，要精确的测量某两个物体之间的距离，需检测当时的环境温度。
本系统以AT89C51单片机为主控制器。
单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，系统采用了温度传感器DS18B20来检测环境温度，计算出超声波在测量时的实际传播速度，提高系统的测量精度。
为了减小偶然因素对测量结果的影响，系统每次测距可连续测量3次，然后取平均值作为本次测量的结果。
将所得的时间和温度由软件判别、计算，得出所测距离通过LED显示和语音播报。
语音采用“直接模拟存储技术”分段记录在ISD2590的EEPROM存储器中。
当系统计算出测量结果时，通过软件查表的方式查出与测量值相对应的语音首地址，送ISD2590的地址输入端，ISD2590输出的语音信号送入LM386功率放大，最后由扬声器播报测量值。
2整体方案设计
本设计的整体思路是：
发射器发出的超声波以速度υ在空气中传播，在到达被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=vt/2即可算出被测物体的距离，并通过LED显示和语音播报出来。
2.1方案论证
设计中采用了两个方案：
方案见方案一和方案二。
方案一：
利用分立模块的超声波测距仪
系统包括超声波测距模组、语音模组、LED显示模组、驱动模组控制模组及电源五部分。
超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，如图2.1所示。
超声波的发射受主控制器控制（如图2.1所示）；超声波换能器谐振在40KHz的频率，模块上带有40KHz方波产生电路。
语音模块由ISD2590语音集成模块组成。
显示模块是一个8位段数码显示的LED；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为X点XX米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。
电源采用220V的AC电源输入，经变压滤波稳压管后得出5V的电源供系统各部分电路使用。
图2.1超声波测距模块组硬件框图
优点：
具有历史数据存储功能、出错管理功能。
缺点：
能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高。
方案二：
基于AT89C51单片机的超声波测距仪
单片机发出40kHZ的信号，经放大后通过超声波发射器输出，超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为t，再由软件进行判别、计算，得出距离数并送LED显示。
系统主要有几下部分组成（如图2.2所示）：
LED显示模块、语音模块、单片机系统、超声波发射模块、超声波接收模块、放大模块等六大模块组成。
图2.2超声波测距仪原理框图
优点：
双向测距，精度高，功耗低。
在电路中我们采用单片机芯片它的优点是：
精简指令使其执行效率大为提高。
2.2方案比较
由于方案一设计电路简单，模块间可调节性较差，能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高，但优点：
具有历史数据存储功能、出错管理功能，适用对精度，距离和效率要求不高的场合，而方案二通过模块化设计，模块间的可调性较好，设计的系统适应性很强，适用较复杂的环境，并且在精度和测量效率、稳定性高上高于方案一，所以此次选择方案二。
3单元模块设计
硬件电路的设计主要包括单片机系统、超声波发射电路和超声波检测接收电路、温度检测电路、语音模块及显示电路六部分。
单片机采用AT89C51或其兼容系列。
采用12MHz高精度的晶振，以获得较稳定时钟频率，减小测量误差。
单片机用P2.4端口输出超声波换能器所需的40kHz的方波信号，利用外中断0口监测超声波接收电路输出的返回信号并读取当前环境温度，将所得数据送入单片机处理后通过语音电路播报和LED数码显示出来。
3.1各单元模块功能介绍及电路设计
系统的硬件构成：
该系统由单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、温度检测电路、语音播报电路、显示电路以及复位电路和电源电路。
3.1.1电源电路模块设计
根据系统设计的需要，所用到的电源为＋5V电源。
一般的稳压电源电路框图如图3.1所示：
图3.1稳压电源电路框图
整体说明：
电源变压器是将交流电网220V的电压变为所需要的电压值，然后通过整流电路将交流电压变成脉冲的直流电压。
由于此脉冲的支流电压还含有较大的纹波，必须通过滤波电路加以滤除，从而得到平滑的直流电压。
但这样的电压还随电网电压波动（一般有10%左右的波动）、负载和温度的变化而变化。
因此在整流、滤波电路后，还需要接稳压电路。
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出直流电压稳定。
当负载要求功率较大、效率高时，常采用开关稳压电源。
1电源变压器
电源变压器的作用是将市网电压变为所需要的电压值。
其基本组成电路如图3.2所示。
图3.2变压器示意图
2整流电路
整流电路的任务是将交流电转换成直流电。
完成这一任务主要是靠二极管的单向导电作用，所以二极管是整流电路的关键元件。
常见的几种整流电路有单向半波、全波、桥式和倍压整流电路。
在设计中我们采用桥式整流电路，基本组成电路如图3.3所示。
图3.3桥式整流电路
3滤波电路
滤波电路的用于滤去整流输出电压中的纹波，一般由电抗元件组成，如在负载电阻两端并联电容器C，或与负载串联电感器L，以及由电容、电感组成的各种复式滤波电路。
4稳压电路
稳压电路的作用是当电网电压波动、负载和温度变化时，维持输出支流电压稳定。
它的电路结构如图3.4所示。
图3.4稳压电路
市电经过变压、整流、滤波、稳压的步骤之后得到了本次设计所需的电源电压。
本次电源是采用的是＋5V的电源电路,所以稳压管采用LM7805CK,其输出电压为＋5V。
它的电路原理图如图3.5所示。
图3.5电源电路模块电路
3.1.2超声波发射电路设计
超声波发射电路原理图如图3.6所示。
发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。
图3.6超声波发射电路原理图
在该超声波语音测距系统中，我们使用的是压电式超声波发生器，它是利用压电晶体的谐振来工作的。
超声波换能器内部有两个压电晶片和一个换能板。
当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频率时，压电晶片会发生共振，并带动共振板振动产生超声波，这时它就是一个超声波发生器；反之，如果两电极问未外加电压，当共振板接收到超声波时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，这时它就成为超声波接收换能器。
为使超声波探头T发出我们需要的超声波，我们就得给超声波探头T一个频率，使其等了超声波探头T的固有频率，让超声波探头T中的压电晶片产生共振并带动共振板振动，产生超声波。
在这个系统中，我们采用的超声波探头的固有频率是40kHz，因此我们需要给超声波探头T送一个40kHz的方波信号。
3.1.3超声波接收检测电路设计
超声波接收原理框图如图3.7所示,
图3.7超声波接收框图
整体说明：
接收电路主要由超声波接收探头、放大滤波电路和信号检测电路构成。
超声波接收换能器将声波信号转换成电信号，通过由放大器LM358构成的放大滤波电路，将放大后的信号由译码器LM567检测信号，再将LM567的输出信号控制单片机的中断。
1超声波接收放大滤波电路
超声波探头接收到超声波后通过声电转换，产生一正弦信号其频率为传感器的中心频率，即40kHz。
该信号通过C1高通滤波后经LM358一次放大，再通过C2高通滤波后经LM358二次放大。
电路结构如图3.8所示：
图3.8超声波接收放大滤波电路
2超声波检测电路
检测电路用于将超声波信号解调成数字电平信号，调节R10使LM567内部振荡频率为超声波频率，即40KHz。
当有超声波信号输入时，输出端8由高电平变成低电平，电路结构如图3.9所示：
图3.9超声波检测电路
由于超声波经过放大滤波后的信号是正弦波叠加信号，单片机所能识别的中断响应信号是下降沿脉冲信号，故LM567的主要功能是将一定频率的正弦信号转换成低脉冲信号，并用此信号控制单片机中断，从而获得超声波传播时间，原理图如图3.10所示：
图3.10超声波接收检测电路
3.1.4温度检测电路设计
超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差,然后求出距离。
由于超声波也是一种声波，其声速与温度有关，表3.1列出了几种不同温度下的声速。
在使用时，如果温度变化不大，则可认为声速是基本不变的。
如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。
声速确定后，只要测得超声波往返的时间，即可求得距离。
表3.1超声波速与温度的关系
温度（℃）
－30
－20
－10
0
10
20
30
100
声速（m/s）
313
319
325
333
338
344
349
386
目前，大多数温度测控系统在检测温度时，都采用温度传感器将温度转化为电量，经信号放大电路放大到适当的范围，再由A/D转换器转换成数字量来完成。
这种电路结构复杂，调试繁杂，精度易受元器件参数的影响。
为此，利用线性数字温度计即集成温度传感器DS18B20和单片机，构成一个高精度的数字温度检测系统。
DS18B20数字式温度传感器与传统的热敏电阻温度传感器不同，能够直接读出被测温度值，并且可根据实际要求，通过简单的编程，实现9～12位的A/D转换。
因而，使用DS18B20可使系统结构更简单，同时可靠性更高。
温度测量范围从-55～+125℃，在-10～+85℃检测误差不超过0.5℃，而在整个温度测量范围内具有±2℃的测量精度，其电路连接如图3.11所示：
图3.11DS18B20温度检测电路
温度的读取：
DS18B20在出厂时以配置为12位，读取温度时共读取16位，所以把后11位的2进制转化为10进制后在乘以0.0625便为所测的温度，还需要判断正负。
前5个数字为符号位，当前5位为1时，读取的温度为负数；当前5位为0时，读取的温度为正数。
16位数字摆放是从低位到高位
注意：
在外部供电的方式下，DS18B20的GND引脚不能悬空，否则不能转换温度，读取的温度总是85℃。
根据DS18B20的通讯协议，主机（单片机）控制DS18B20完成温度转换必须经过三个步骤：
每一次读写之前都要对DS18B20进行复位操作，复位成功后发送一条ROM指令，最后发送RAM指令，这样才能对DS18B20进行预定的操作。
复位要求主CPU将数据线下拉500微秒，然后释放，当DS18B20收到信号后等待16～60微秒左右，后发出60～240微秒的存在低脉冲，主CPU收到此信号表示复位成功。
3.1.5语音电路设计
语音系统主要由语音芯片ISD2590系统语音电路采用ISD2590专用语音芯片。
电路连接如图3.12所示。
为了实现语音报数，需将语音元素（“0～9”、“点”、“米”、“距离为”、“测量超出范围”）录入ISD2590语音芯片中。
如果有专业的ISD语音开发设备，则使用专业的ISD语音开发设备录取语音；如果没有专业的ISD语音开发设备，可设计使用按键式语音录音电路，分段录取语音。
ISD2590的地址分辨率为0.15秒,利用地址分辨率可分配各个语音段的首地址。
本系统系统已将语音分成14段录入ISD2590语音芯片中，各段具体的首地址如表3.2所示：
表3.2语音元素首地址
段号
0
1
2
3
4
5
6
7
语音元素
0
1
2
3
4
5
6
7
首地址
020H
040H
060H
080H
0A0H
0C0H
0E0H
100H
段号
8
8
A
B
C
D
语音元素
8
9
点
米
距离为
超出测距范围
首地址
120H
140H
160H
180H
1A0H
1D0H
图3.12语音系统电路
编程时将每一段语音的首地址集合起来，编成地址表存放到AT89C51中。
当系统计算出测量结果时，通过软件查表的方式查出与测量值相对应的语音首地址，送入ISD2590的地址输入端。
系统采用查询EOM电平的方法来实现语音放音，语音放音的过程如下：
（1）节电控制PD端置为低电平，使ISD2590正常工作。
（2）录放控制P/R端置高，使ISD2590为放音状态。
（3）第一个语音的首地址送ISD2590的地址输入端。
（4）片选CE端加一个的低脉冲，芯片就会从指定的起始地址播放语音，遇到内部的信息结束标志E0M，且E0M负脉冲结束时停止放音。
（5）查询到E0M脉冲的上升沿后，节电控制PD端置高。
（6）延时TB（两个语音之间的时间间隔）后，节电控制PD端置为低电平，录放控制P/R端置高，第二个语音的首地址送ISD2590的地址输入端。
同样的方法可放完的所有语音。
语音电信号从ISD2590的SP+、SP-输出后送入LM386放大，最后由扬声器播报测量值。
3.1.6显示模块电路设计
LED（Light-EmittingDiode，发光二极管）有七段和八段之分，也有共阴和共阳两种。
LED数码管结构简单，价格便宜。
图3.13示出了八段LED数码显示管的结构和原理图。
图3.13（a）为八段共阴数码显示管结构图，图3.13（b）是它的原理图，图3.13（c）为八段共阳LED显示管原理图。
八段LED显示管由八只发光二极管组成，编号是a、b、c、d、e、f、g和SP，分别与同名管脚相连。
七段LED显示管比八段LED少一只发光二极管SP，其他与八段相同。
图3.13八段LED数码显示管原理和结构
单片机对LED管的显示可以分为静态和动态两种。
静态显示的特点是各LED管能稳定地同时显示各自字形；动态显示是指各LED轮流地一遍一遍显示各自字符，人们由于视觉器官惰性，从而看到的是各LED似乎在同时显示不同字形。
为了减少硬件开销，提高系统可靠性并降低成本，单片机控制系统通常采用动态扫描显示。
本单元电路采用3位共阴极数码管，显示字符由单片机P0口送至锁存器74HC573，再由锁存器将显示字符送至数码管显示。
电路图如图3.14所示：
图3.14显示模块电路
当P2.3口所接的按键按下时，LED上的数据停止更新，放开后LED继续显示当前实时的距离。
3.1.7系统控制模块设计
系统控制模块包括单片机、时钟和复位电路三个部分构成，具体流程框图由如图3.15所示，模块电路图如图3.16和3.17所示。
图3.15系统控制模块流程框图
图3.16时钟电路图3.17复位电路
本次设计是以单片机为核心进行设计的。
在整个单片机控制系统中，CPU既是运算处理中心，又是控制中心，是控制系统最关键的器件。
本系统中选用与MCS-51系列完全兼容的AT89C51单片机，AT89C51可构成真正的单片机最小应用系统，缩小系统体积，提高系统可靠性，降低系统成本。
3.2电路参数的计算及元器件的选择
下面就相关电路中的参数计算以及元器件的选择进行说明。
3.2.1放大电路
在由LM358组成的反比例放大器中，在选择同相输入端所接电阻R7时应使两输入端外接直流通路的等效电阻平衡。
即R7=R5//R4,静态时使输入级偏置电流平衡并让输入级的偏置电流在运算放大器的两个输入端的外接电阻上产生相等压降，以便消除放大器的偏置电流及漂移对输出端的影响。
3.2.2检测电路
为了能精确检测到超声波信号，检测电路中译码器LM567的6脚接地电容C6和5、6脚间的电阻R10其决定了内部压控振荡器的中心频率f2，f2≈1/1.1RC。
其1、2脚通常分别通过一电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。
2脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：
电容值越大，环路带宽越窄。
1脚所接电容的容量应至少是2脚电容的2倍。
3脚是输入端，要求输入信号≥25mV。
当LM567的中心频率调到与接收到的信号振荡频率相同，即使f2=f1=40KHz，8脚由高电平变为低电平。
所以R10的值如
（1）式所示：
（1）
3.2.3显示电路
在本次设计中,采用的是传统的LED显示系统。
用AT89C51接74HC573驱动共阴极LED数码管，实时显示合成装置的数值。
常用的显示器件主要有LED（发光二极管显示器）和LCD（液晶显示器），它们都具有耗电少，成本低，线路简单，寿命长等优点，广泛应用于智能仪表场合。
考虑现场的工作特点，在本设计中选用LED数码管显示器。
采用74HC573为锁存器，占用CPU的I/0口资源较少，而且74HC573的价格十分便宜，同时由于本设计中被显示的数据每1秒更新一次即可，利用LED静态显示
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