分立元件超声波盲人单片机讲解.docx

分立元件超声波盲人单片机讲解.docx

《分立元件超声波盲人单片机讲解.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《分立元件超声波盲人单片机讲解.docx（24页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。

分立元件超声波盲人单片机讲解

超声波盲人探路仪的设计

摘　要

本文设计一种由74LS04反相器和CX20106搭接电路实现了超声波的发射与接收。

采用超声波发射与接受等技术，设计出盲人外出行走所需要提醒绕过前方障碍物的一种超声波探测器。

只需将超声波盲人探路器安装在盲人的拐杖上，当盲人在走路时前面有障碍物，拐杖上的盲人探路器就会发出报警声，因此起到提示的作用小心绕行。

并能语音播报离障碍物的距离，让盲人能够了解障碍物离自己的距离。

这种超声波盲人探路器使用方便可靠且价格低廉，适合盲人和老人夜间走路,能有效防止事故的发生,盲人在外出时都会带一根拐杖来探路，以躲避障碍。

由于拐杖不可能太长，探测范围十分有限，利用超声波探测原理组成一个微型探测器并组装在拐杖手柄内，不仅可以提高探测效果和探测距离，而且使用十分方便。

【关键词】89C52;单片机；74LS04反相器CX20106电路；超声波的发射与接收；NY3P065AP8；语音芯片

THEDESIGNOFTHEULTRASONICBLINDLIGHTINGAPPARATUS

Abstract

Inthispaper,thedesignofa74LS04inverterandCX20106lapcircuitachievesultrasonictransmitterandreceiver.Emittingandreceivingultrasonictechnology,designedtoremindtheblindneedtowalkoutinfrontofobstaclestobypassanultrasonicdetector.JustultrasonicblindPathfindermountedontheblindcane,whenthereisanobstacleinfrontoftheblindinwalking,theblindPathfindercrutcheswillsoundanalarmon,andthereforeplayaroleinpromptingcautionbypass.Andcanvoicebroadcastfromtheobstacledistancefromobstaclessothatblindpeoplecanunderstandtheirdistance.ThisultrasonicblindPathfinderisreliableandeasytouseandinexpensive,fortheblindandtheelderlytowalkatnight,caneffectivelypreventtheoccurrenceoftheaccident,whentheblindwillgotoPathfinderwithacrutchtoavoidobstacles.Sincecrutchesnotbetoolong,thedetectionrangeisverylimited,usingultrasonicdetectionprincipletoformamicro-probeandassembledinthecanehandle,notonlycanimprovethedetectionperformanceanddetectionrange,andeasytouse.

【Keywords】89C52;SCM;74LS04CX20106invertercircuit;ultrasonictransmitterandreceiver;NY3P065AP8;voicechip

第1章前言

1.1系统开发背景

蝙蝠能在完全黑暗中，以极快的速度精确地飞翔，从不会同前方的物体相撞，蝙蝠在飞行时，喉内产生并能从通过口腔发出人耳听不到的超声波，当遇到食物或障碍物时，超声波会反射回来，蝙蝠用两耳接受物体的反射波，并据此确定该物体的位置，并可从两耳分别接受到回波间的差别，来辨别物体的远近、形状及性质，蝙蝠在空中能利用超声波来“导航”，就能迅速准确捕捉飞虫。

人是无法发出超声波和听到超声波的，但我们可以利用仪器发出超声波，再利用仪器来接受反射回来的超声波，因为声音可以传递能量，根据声音传递的能量引起盲人的触觉，让盲人感觉到，从而让开障碍物。

1.2系统开发意义

中国是全世界盲人最多的国家约500万盲人，占全世界盲人口的10%。

每年在中国约有45万人失明，由于看不见，他们只能用60%的感觉来获取信息，外出行动很不方便。

对于这些特殊群体，如何安全外出是最大的问题。

因而设计一款实用的盲人探测器来帮助视觉障碍者是十分重要的。

1.3设计目的

通过本次工程实践，运用《MCS-51系列单片微型计算机及其应用》所学知识及查阅相关资料，结合超声波发射与接收技术完成超声波盲人探路仪的制作，达到理论知识与实践更好结合、提高综合运用所学知识和设计能力的目的。

1、通过查阅相关资料对超声波发射电路及超声波接收电路，语音电路，蜂鸣器提醒电路进行进一步研究。

2、在充分分析内部逻辑的概念，进行软件和调试，学会使用，并能够以其为平台设计出具有超声波测距，超声波壁障以及语音播报报警距离能力超声波盲人探路仪的硬件电路和软件程序。

第2章系统硬件电路的设计

本设计硬件电路设计是围绕着设计要求来设计的，我们需要实现的功能是超声波测距，可以语音播报距离。

整个设计首先需要确定的是主控芯片，所以下面我从主控芯片的电路设计开始说明，系统总体框图如图2-1所示。

图2-1系统总体框图

2.1主控芯片电路设计

经过多方考量，本设计采用价格合适，性能又可以满足设计要求的STC89C52RC作为主控芯片，本节主要说明STC89C52最小系统的设计。

51单片机的最小系统除了必要的电源和地以外还需要时钟电路和复位电路。

对于时钟电路的设计，XTAL1和XTAL2是单片机上的时钟管脚，时钟管脚可以被配置为使用晶振的片内振荡器，还可以直接由外部时钟驱动。

本设计中采用的是利用外部晶振实现内时钟模式，即使用了芯片内部振荡电路，在两个时钟管家的外部接上晶振和两个瓷片电容，内部振荡器就可以产生自激振荡了。

本设计中我们采用了的12M的石英晶振。

和石英晶振并联的两个瓷片电容的大小对内部振荡的频率有影响，可以起到对频率微调的作用，设计中使用22pF的瓷片电容。

晶体和电容在电路中的位置要与单片机靠尽量进一些，以减少引线产生的寄生电容，提高振荡频率的稳定性。

晶振有没有起振，可以说明单片机有没有正常工作，我们可以使用万用表测量时钟管脚和地之间的电压时，如果该电压在2V左右则证明单片机正常工作。

除了时钟电路还有复位电路，在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。

STC89C52的复位引脚RST（第9管脚）出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。

如果RST保持持续的高电平，则会导致单片机一直处于复位状态不能正常工作。

复位操作一般分为上电自动复位和按键复位。

系统上电的瞬间，根据电容的特性电解电容两端电压不会突变，此时电解电容的负极和复位引脚连接在一起，电源的电压全部加在了电阻上，复位引脚的输入为高，单片机被复位。

然后系统电源给电容充电，则电阻上的电压逐渐减小，当电压低于复位的阀值时，单片机停止复位操作，进入正常工作状态。

系统的复位按键是并联在电容的两端的，当系统上电时即可有一次上电复位了，当单片机正常工作以后，通过按下复位按键使复位管脚出现高电平达到10ms以上的高电平，就能使单片机有效的进行复位了。

单片机最小系统原理如图2-2所示。

图2-2单片机最小系统原理图

2.2超声波测距电路设计

超声波测距电路的设计是本设计的核心所在，所以必须慎重的考量，下面经过多方资料的查证和老师的帮助，我们大体确定了一下几个方案，下面对各个方案进行说明

方案论证：

●超声波发射电路设计方案论证

发送原理：

由单片机产生频率为40KHZ的脉冲，经过放大由超声波发射头发射。

A、采用反相器驱动压电式超声波发射头

说明：

可以加大驱动电流，在发射端加上反向电压，可以加大激励电压，增加驱动功率，另一方面可以增加超声波波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。

B、采用555驱动压电式超声波发射头

说明：

其频率的产生不需要软件产生，直接硬件产生即可，并且电压可以加到12v电压的大小，主要决定555的输出上拉多大的电阻。

C、用三级管驱动脉冲变压器驱动

说明：

其频率的产生需要软件产生，其激励电压由脉冲变压的功率和副边电压输出。

D、采用集成的超声波发射系统

说明：

集成了驱动的超声波发射系统，只要接入电源即可。

但是价格昂贵。

◆方案比较结论：

基于成本和制作条件考虑，决定采用第一种方案，它制作简单，成本低廉，效果理想，能满足项目要求。

●超声波接收电路设计方案方案论证：

接收原理:

首先对接收到的40KHZ小信号进行滤波放大，再经带通，滤波电路，再经检波电路后积分，整形输出到单片机。

A、采用集成芯片构建接收电路

说明：

利用红外接收芯片cx20106a做超声波接收驱动电路，还有lm812是一种专门用于超声波结婚搜的集成电路，它既可以做反射电路，又可以用于接收放大电路，这样电路接收简单，可靠。

B、采用运放和分立元器件

说明：

那么放大电路，滤波电路，检波电路等电路必须自己设计完成，并且可以根据自己实际情况灵活设计各部分电路，以便能达到最佳效果。

不过，这样会加大电路设计难度和调试时间。

◆方案比较结论：

由于时间有限，为了能使最大的满足接收效果，我们选择了第一种方案，采用cx20106a驱动超声波发射头。

2.2.1超声波发射电路设计

确定超声波发射电路和接收电路的设计以后接下来我们首先对发射电路的设计做一个分析。

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P2.0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，用这种推换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74hc04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。

压电式超声波换能器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。

超声波发射换能器与接收换能器在结构上稍有不同，使用时应分清器件上的标志。

超声波发射部分原理图如图2-3所示。

图2-3超声波发射部分原理图

2.2.2超声波接收电路设计

集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。

考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图4）。

实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。

适当更改电容C4的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。

超声波接收部分原理图如图2-4所示。

图2-4超声波检测接收电路

2.3语音播报电路的设计

本设计中语音播报电路完成的功能是在有需要时，播报测距的距离值。

通过对语音播报方面资料的查阅大体了解到，语音播报实现的方式大体有两种，一种是利用录音芯片，一种是利用放音芯片。

而从其音频的存储方式上可分为OTP ROM、FLASH ROM、EEPROM及MASK四种。

下面对这两个方面的资料进行介绍。

2.3.1语音芯片类型介绍

1、录音芯片及放音芯片的选择 

　　语音芯片从使用功能上，基本可以划分为录音语音芯片和放音语音芯片。

设计一个使用语音芯片的产品，首先要考虑是否使用录制现场语音，如需要录制语音则选用带有录音功能的语音芯片，否则就选用只有放音功能的语音芯片。

通常带有录音功能的语音芯片都具有回放语音的功能，但是在播放语音时，音质都没有专门的放音语音芯片好，所以在选择语音芯片时要权衡功能及音质方面等因素。

安防系统、会议记录系统、录音玩具等产品都要求具备录音功能，这类型产品的开发都会用到录音语音芯片，市场上有录音功能的芯片主要有ISD1110、ISD1400、ISD1700、ISD1800、ISD2500、ISD3300、ISD4000、WTR010、WTV040、APR6000等。

利用录音芯片开发的录音模块，拥有更为简洁的外围电路和更佳的效果。

如WTR-S4、WTV-NAND录音模块，这些模块利用外部的FLASH ROM作为存储中心，因而能够录制更长时间的语音。

仅用到放音功能的设备很多，像治疗仪、倒车雷达、报站器、报警器等。

这类型的产品不需要录制现场的语音，将已经处理过的语音利用工具下载到语音芯片播放就可以。

放音芯片根据存储方式可分为OTP ROM、FLASH ROM、EEPROM及MASK四种。

2、OTP ROM、FLASH ROM和EEPROM的选择 

OTP（One Time Programable）是指一次性可编程语音芯片，语音只能烧写一次，适合应用在不需要修改语音、语音长度短的场合，从放音的长度上可以分为10秒、20秒、40秒、80秒、170秒、340秒。

OTP语音芯片的特点是单芯片方案、价格便宜，适合中小型批量生产，即便是小数量生产也可以及时拿货。

主要应用在中低端玩具、电子琴、电动车等产品上。

　　FLASH ROM和EEPROM的共性是可重复擦写、存储空间大，可随意更换控制方式和语音内容，能存储更大的语音文件。

EEPROM通常都会集成在芯片中，此类型语音芯片价格比较昂贵，如ISD1700、ISD2500等。

一般可以外挂的FLASH ROM有1Mbit～32Mbit，因需要用“语音芯片+FLASH”才能工作，价格比OTP的稍高，但整体售价比EEPROM的低，适合制样或者中小型批量投产。

使用FLASH ROM的语音芯片有WT588D、WTV040（需烧写特殊程序）等。

通过对上述知识点的了解，结合本设计的需求我们最终确定下来使用的语音芯片是NY3P065A，下面对NY3P065B的参数以及电路分析进行介绍。

3.3.2NY3P065A电路设计

NY3P065A是35秒一次性烧录语音芯片/语音OTP，工作电压范围：

1.8V-5V ，有八个IO口，其除了电源和地以外，有SP+和SP-口PWM输出可直接驱动0.5W的喇叭，其控制口是BUSY和DATA还有CLK,这三个口就是单片机与NU3P065A的连接口，BUSY是忙总线，即通过判断其处于非忙状态才能对其进行数据操作，DATA是数据输入口，CLK是时钟输入口。

NY3P065A一次烧录的语音长度为65秒，足以满足本设计的需求了。

NY3P065A的原理图如图2-5所示。

图2-5NY3P065A原理图

2.4蜂鸣器提醒电路的设计

本系统中当测得的距离越低蜂鸣器鸣叫的频率就越高，所以我们选择的是无源蜂鸣器，其电路的设计也比较简单，因为单片机的输出电流不足以驱动蜂鸣器，所以本设计中采用普通的三极管来放大电流以驱动蜂鸣器，控制此电路的I/O口是P1.0口，具体连接如图2-6所示。

图2-6蜂鸣器连接原理图

第3章系统软件程序设计

本设计整体实现的功能大体是上电后，超声波实时测距，蜂鸣器根据距离的远近发出从低到高频率的声音，播报键按下时，播报当前的距离值。

总体程序流程图如图3-1所示。

图3-1总程序流程图

3.1超声波程序设计

超声波程序首先设置定时器的初值和工作方式，使总中断允许位EA=1，并给显示端口清零。

然后调用超声波发生子程序送出一个超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延时0.1ms（这也就是测距器会有一个最小可能测距的原因）后，才能打开外中断0接收返回的超声波信号。

由于采用12MHZ的晶振，机器周期为1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距器之间的距离，设计时取20摄氏度时的声速344m/s，则有：

，（其中T0为计数器T0的计数值）。

通过P1.0端口发送2个左右超声波脉冲信号（频率约40kHz的方波），脉冲宽度为12μs左右，同时把计数器T0打开进行计时。

利用外中断0检测返回超声波信号，一旦接收到返回超声波信号（即INT0引脚出现低电平），立即进入中断程序。

进入中断后就立即关闭计时器T0停止计时，并将测距成功标志字赋值1，程序流程图如图4-2所示。

图4-2超声波程序流程图

3.2语音播报程序设计

本设计中我们使用使用的语音芯片是NY3P065A，NY3P065A的放音方式是直接将地址内对应的语音调用就可以放音了，NY3P065A的控制方式类似I2C总线，只是多了BUSY位，在查询未忙时才可以对其进行数据的写入，NY3P065A的程序流程如图3-3所示。

图3-3NY3P065A程序流程图

3.3蜂鸣器程序设计

超声波程序在每次读取距离值后都会将读取到的数据X与所设定好的上限值进行比较，当测量后读取到的数据不在所设定的范围内时，蜂鸣器就发出警报声音，若小于上限值，则根据距离值由大到小让蜂鸣器发出从高到低的鸣叫声。

蜂鸣器程序流程如图4-4所示。

图4.4报警程序流程图

总结

对所设计的电路进行测量、校准发现其测量范围15cm~250cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为2cm，显示最小分辨率为0.01m，测量盲区小于0.15米，且重复性好。

该测距仪稳定性比较高、灵敏度比较高，盲区范围小，分辨率小于0.01m,被测目标不需要垂直于超声波测距仪角度保持在正负30度，被测目标表面不需要平坦；但是在检测过程中会有一些不便的地方：

1.测量时在超声波测距仪周围没有其他可反射超声波的物体，由于发射功率有限，测距仪无法测量5m外的物体。

2.因为实现测距所以电路的电流相对比较大。

3.不能够实现不同温度下的测距功能。

4.因为超声波是将空气作为媒介所以受电磁干扰比较大。

超声波测距的原理是利用超声波的发射和接受，根据超声波传播的时间来计算出传播距离。

实用的测距方法有两种，一种是在被测距离的两端，一端发射，另一端接收的直接波方式，适用于身高计；一种是发射波被物体反射回来后接收的反射波方式，适用于测距仪。

此次设计采用反射波方式。

由上述的分析知，如果能够知道当地温度，则可根据公式求出当地声速，从而能够获得较高的测量精度。

而问题的关键在于获得温度数据的方法。

采用热敏电阻、热电耦、集成温度传感器都可以获得较为准确的温度值，

在复杂环境下，如果难于获得环境温度，或者不便获得环境温度时，如果仍旧要求较高的测量精度，我们采用所谓标杆校正的方法实现超声波测距精度的校正。

超声波测距装置首先测量距离已知为h的基平面（标杆）声波往返所用的时间，而后由测得的时间和距离h根据公式求出当地声速。

通过这样的方法，我们也能够顺利的求出声速，省去了使用传感器测量温度所带来的麻烦。

因此，只用为测距设备设定“标定”和“测量”两种状态，即能够实现温度校正所能实现的高精度测距功能。

本文主要介绍了以单片机STC89C52为处理器超声波测距器的设计过程，包括电路设计和程序的设计以及电路的搭建与调试。

此设计电路由超声波传感器、单片机、发射/接收电路和LED显示器组成。

以单片机STC89C52为主处理器，通过超声波传感器发射和接收超声波，再通过单片机中断测出单片机由发射到接收到超声波的时间，再计算出单片机与被测物体之间的距离，然后通过数码管显示出被测物体与单片机之间的距离。

发射电路主要有74LS04和超声波换能器构成用单片机P1.0端口输出40KHZ方波信号一路经一级反向后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向后送到超声波换能器的另一个电极。

超声波接收采用的是常用于电视红外遥控接收器的芯片CX20106A。

显示电路采用四位数码管的动态显示。

本电路设计由于元器件及其成板误差，测量最大距离未能达到设计初衷要求，但对测量距离结果的误差影响不大，能满足日常生活、工业生产的测量要求，因此此设计有着很大的意义。

同时通过这个设计能够提高我对单片机的认识、编程能力和电路设计能力。

参考文献

[1]张艺刚单片机原理与接口技术·北京航空航天大学出版社·2005·68~105

[2]胡萍超声波测距仪的研制·浙江大学出版社·2000·103~159

[3]李华单片机Ｃ语言编程·北京航空航天大学出版社·2005·26~56

[4]苏长赞红外线与超声波遥控·人民邮电出版社·1993·159~189

[5]苏伟超声波测距误差分析.传感器技术·2005·第五期·23

[6]周荷琴、吴秀清微型计算机原理与接口技术·中国科学技术大学出版社·2009·45~47

[7]靳达单片机应用系统开发实例导航·人民邮电出版社·2003·26~29

[8]余永权、汪明慧等单片机在控制系统中的应用·电子工业出版社·2004·45~51

[9]胡汉才单片机原理及其接口技术·清华大学出版社·2004·11~23

[10]刘凤然基于单片机的超声波测距系统·传感器世界·2001·20~31

[11]赵建领，薛园园.零基础学单片机C语言程序设计[M].北京:

机械工业出版社,2009：

15-18．

[12]田立.51单片机C语言程序设计快速入门[M].北京:

人民邮电出版社,2007：

10-15.

[13]陈海宴.51单片机原理及应用——基于KeilC与Proteus[M].北京:

北京航空航天大学出版社,2010：

56-75.

[14]宋永乐．高精度超声波测距系统设计．现在电子技术．2008,31（15）：

137-139．

[15]罗亚非．单片机应用基础[M]．北京．北航出版社，2003．

[16]刘秀英．单片机应用设计200例[M]．北京．北京航空航天大学出版社，2006．

[17]徐江海．单片机实用教程[M]．北京．机械工业出版社，2007．

[18]翟金辉．超声波测距系统的设计[M]．中国仪器仪表．2007（8）：

44-45．

附录A

图A1系统原理图

图A2实物图

附录B

源程序：

#include

#include

#defineucharunsignedchar

#defineuintunsignedint

#definenop_nop_（）

#defineLCM_DataP2//数据接口

#defineBusy0x80//用于检测LCM状态字中的Busy标识

uintdis;

ucharflag=0,high_time,lo