具有实时语音播报的超声波测距测速仪.docx
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具有实时语音播报的超声波测距测速仪
具有实时语音播报的超声波测距测速仪（C题）
摘要：
本文研究容为实时语音播报的测距测速仪，利用超声波进行距离测量,测量精度在厘米级别,适用于近距离测距。
本系统以STC12C5A60S为微处理芯片，其产生40kHz频率，再利用超声波换能器TCT40-16T产生超声波信号并发射出去，由TCT40-16R接收超声波信号，并利用超声波专用芯片CX20106A检波、处理超声波信号，最后发送给微处理器。
微处理器通过计算得到与障碍物的距离，并通过所得距离计算出物体的移动速度。
微处理器通过串口控制JQ6500语音模块。
当微处理器计算得到障碍物的距离和物体移动速度时，微处理器发送指定的命令，驱动语音模块播放保存在FLASH中的语音,实现实时语音播报。
关键词:
STC12C5A60S2;JQ6500;超声波。
1系统方案设计
1.1设计任务
根据命题要求，设计并制作一台具有实时语音播报的超声波测距测速仪。
A.具有超声波测距功能，测量距离0.2m～3.0m，测距精度±1cm；
B.自动语音实时播报测量距离数值；实时播报时间间隔t≤10s；实时语音播报清晰明亮、无明显失真，在1米距离处人耳能准确分辨。
C.实时显示测量的距离和速度，并且显示容要与语音播报容同步。
1.2总体设计方案
具有实时语音播报的超声波测距测速仪由6部分组成：
超声波发射模块、超声波接收模块、51单片机最小系统、LCD1602显示模块、JQ6500语音播报模块、按键模块组成。
图1-1超声波测距测速仪组成图
1.3声波测速测距原理
1.3.1声波测距原理
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，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。
假设超声波在空气中的传播速度为V，根据计时器记录的时间T，发射点距障碍物的距离S,如图1-2所示。
图1-2声波测距示意图
两探头中心距离的一半用M表示，超声波单程所走过的距离用L表示，可得：
（公式1-1）
（公式1-2）
在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：
（公式1-3）
由公式（公式1-1）、（公式1-2）、（公式1-3））可得：
（公式1-4）
当被测距离S远远大于M时，上式变为：
（公式1-5）
因为本设计测距精度为厘米级别，对误差要求不是很高，所以将声速取值为在20℃的时的传播速度，即V=344米/秒。
1.3.2声波测速原理
超声波发射器向某一方向发射超声波，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来。
如图1-4所示，其中S为测得物体与障碍物的距离，
为车的速度，
为超声波发射器发出一次超声波的间隔。
图1-3声波测速示意图
可得物体的速度
:
（公式1-6）
（公式1-7）
2硬件设计
2.1电源稳压电路
LM2940是常用的三端稳压器，能提供DC5.0V的输出电压，含过流和过载保护电路。
稳压电路的供电是由5节南孚电池组成，方便携带和使用。
在LM7805的输入端并联了两个电容，一个是电解电容，一个是普通的电容，电解电容起到防止电流过大而烧坏芯片，而普通电容起到滤波作用。
在输出端与地端接了一个LED和一个电阻，这样可以显示LM7805是否正常工作。
图2-1稳压电路图
2.2超声波发射与接收电路
超声波发射模块是由超声波发射探头组成的，单片机的TXT端口直接发送40kHz的信号，直接驱动压电晶片使超声波换能器产生超声波，如图2-2所示。
图2-2超声波发射电路图
超声波接收电路由超声波接收探头和超声波接收处理芯片组成。
在接收电路中，使用超声波接收处理芯片CX20106A，由它处理40kHz的超声波信号。
且这块芯片具有很强的抗干扰能力，因此增强了测量的精确度，增加一个电源指示灯，用来判断该模块是否接通。
如图2-4所示。
图2-3超声波接收点路示意图
2.3显示电路
图2-41602显示图
其目的是用来显示所测得的距离和速度。
其中LCD1602的DB0~DB7与微处理器P0口相连接，EN、RW、RS分别接P2.3~P2.5端口，用来传输数据。
电位器R12用来调节液晶对比度，使LCD1602显示屏幕更加清晰明亮。
微处理器将超声波接收器接收的信号进行处理，来驱动LCD1602显示当前距离S和速度V。
2.4声波测速测距语音播报电路
图2-5语音播报电路图
语音模块由电源指示灯、语音芯片、电容3部分组成。
在电源处并联3个220μF的电解电容作用是用来储能放电，驱动喇叭正常工作。
JQ6500是一个提供串口的MP3芯片，微处理器通过串口控制来实现语音播报。
3软件模块
3.1系统程序的结构
A.测距测速模块，分为超声波发射控制程序、接收处理程序等；
B.基于LCD显示模块，分为初始化程序、写入命令、读取子程序等；
C.语音播报模块，分为初始化程序、按键控制、发送数据函数、语音播报等；
D.主程序分为系统初始化以及各个子程序的调节管理等部分。
如图3-1所描述各个模块的关系：
图3-1系统软件框图
3.2主程序设计
图3-2主程序框图
3.3LCD显示模块
图3-3LCD显示程序框图
3.4语音播报模块
图3-4语音播报模块程序框图
4系统调试
4.1测量距离测试
测试方法：
固定超声波发射和接收器，通过移动挡板来改变测量的距离。
每改变一次挡板的位置，播报一次，并用直尺测量实际距离。
测试结果如表1所列。
表1距离测试表
次数/n距离/m
实际距离
播报距离
显示距离
1
0.21
0.21
0.21
2
0.50
0.49
0.49
3
1.13
1.14
1.14
4
1.75
1.75
1.75
5
1.99
2.00
2.00
6
2.68
2.67
2.67
测试结果分析：
显示容与语音播报容同步，且播报清晰明亮、无明显失真，在1米距离处能准确分辨，语音播报距离和显示距离的测试值在实际距离附近，满足命题对误差精度所要求的低于±1cm。
5实物图
图5-1实物图
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