超声波导盲仪及语音提示系统

1、 毕 业 设 计（论 文） 设计(论文)题目： 超声波导盲仪及语音提示 系统设计 学生姓名： 张宪旺 指导教师： 赵国树 二级学院： 机电工程学院 专业： 自动化 班级： 10自动化 学号： 提交日期： 年 月 日 答辩日期： 年 月 日 目 录摘 要IIIAbstractIV第一章 绪论11.1 超声技术发展史11.2 超声发生器的发展及趋势22.1 语音技术3第二章 超声波测距概述42.1 超声波用途42.2 超声波测距特性52.2.1 超声波用于距离测量的优势52.2.2 超声波检测技术52.2.3 系统性能指标7第三章 超声波测距原理103.1 超声波发生器103.2 电压式超声波发生

2、器原理123.3 超声波测距原理13第四章 系统模块154.1 STC89C52单片机154.1.1 时钟电路164.2 SYN6288语音芯片184.2.1 系统结构框图184.2.2 芯片结构图194.3 单线程温度传感器194.4 液晶显示模块214.5 功率放大器21第五章 超声波盲人导航及语音提示系统设计235.1 系统结构235.1.1 系统硬件结构235.1.2系统软件设计245.2 系统设计255.2.1超声波电路设计255.2.2 显示及语音电路265.3 总电路图设计27第六章 系统实验结果与误差分析286.1 系统实验结果286.2 误差分析28参考文献30附 录32致

3、谢39超声波盲人导航及语音提示系统摘 要本文首先对超声波测距进行简要的描述，并介绍了超声波测距原理；然后分别讲述了本设计的各个模块的调试，在此基础上对本设计进行系统的布局和设计；最后讲述了本系统误差分析以及实物附图。本盲人导航系统是以盲人行走常带的手杖为载体，STC89C52单片机为控制核心，加以超声波发射、超声波接收、液晶显示模块、SYN6288语音提示模块、单线程温度传感器模块、温度补偿模块、功率放大器模块和电源电路以及其他电路构成。各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。相关部分附有硬件电路图、流程图和程序图。关键字：STC89C52；超声波；语音The desig

4、n of ultrasonic navigation system for the Blind with a vioce prompt systemAbstractFirst, the definition, principle of the ultrasonic distance measurement are introduced in a brief way in this paper. Then, the debugging of each module of this design are described. On the basis of this, we begin carry

5、ing on the consecution of the layout and design.Finally, we analyses the error of the system and put on the pictures of the material object.The Blind Man Navigation system is based on a stick of the blind and we chose the STC89C52 as the control core, including ultrasonic emission, ultrasonic receiv

6、er, liquid crystal display module, SYN6288 voice prompt module, single thread temperature sensor module, temperature compensation module, power amplifier module and power supply circuits and other circuits. The probe signals are integrated analysis-ed by SCMC to achieve the various functions of ultr

7、asonic distance measurement instrument. The relevant parts have the hardware schematics, flow chart and program diagram.Key words:STC89C51;Ultrasonic;Voice prompt第一章 绪论超声技术与众多学科交叉，互相促进，共同发展。自从人们了解超声的物理特性之后，便开始开发各种探头材料，发明各种超声激发和接受装置以及转换器，研制出各种仪器与设备，极大地推动了超声技术在各领域的开拓发展与应用。当前社会经济的不断发展和工业科学技术的不断提高，汽车已逐渐

8、进入不少百姓家。汽车使用数量的不断增加，从而由此导致的倒车交通安全问题也非常严重，道路交通压力增加，交通安全问题也是面临严峻挑战。在面临如此严峻的交通安全问题，许多涉及安全问题的汽车辅助系统也纷纷现世。而本设计就是利用单片机知识、传感器知识等，进行的汽车防撞装置的设计，在汽车倒车时，这种装置可以在驾驶员对车尾与障碍物体的距离远近无法目测和判断时进行报警。1.1 超声技术发展史超声技术是一门综合性极强，涉及电子、声学、材料、机械、医疗等众多学科，通过超声波产生、传播及接受的物理过程来实现的通用技术。随着社会的飞速发展，由于超声技术能够有效的提高生产效率，保障生产安全，降低生产成本，其应用日益广泛

9、。所谓超声波是指频率在20kHz以上，人耳听不到的声波。一百多年来，超声波技术的发展十分迅猛。F.Savart于1830年用齿轮产生了24kHz的超声；1876年F.Galton用气哨产生了30kHz的超声；1916年P.Langevin利用水下超声作为侦查手段标志着现代超声学的开始，为检测超声奠定了基础；而R.W.Wood和A.E.Loomis于1927年对超生能量作用的实验报告则为功率超声波开辟了道路。我国亦于1956年将超声学研究列入了12年科学规划，由此超声研究与应用开始广泛的开展，1965年开始研究了表面波换能器，而随着超声清洗、超声焊接、超声加工、超声医疗、超声乳化等逐渐投入应用，

10、标志着我国超声学面向实际应用的成熟。作为一门交叉学科，电力电子技术的飞速发展、电力电子器件的不断更新换代也大大促进了超声技术的发展。目前，我国的超声学研究取得了巨大的发展，有些方面已接近或达到国际先进水平。超声技术的发展与应用为我们提供了一个充分认识客观事物的有力工具，呈现给我们一个更加多元化、精彩纷呈的世界。1.2 超声发生器的发展及趋势超声波发生器（或称功率源）是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量使之工作于谐振频率的装置，根据其激励方式可分为两种：一种是他激式，一种是自激式，他激式超声发生器主要包括两个部分：前级是信号发生器，后级是功率放大器，一般通过输出变压器耦合，将超声能量加到换能

11、器上。自激式超声发生器则将信号发生器、功率放大器、输出变压器及换能器连成一个整体，构成一个闭环回路，使整个发生器通过幅度、相位反馈，产生足够的功率，使换能器自动保持谐振在机械共振频率上。随着科技的日新月异，电力电子器件的发非常展迅速，迄今为止，已经发展出很多不同原理、不同特性的电力电子器件。一代器件决定一代电力电子技术，超声波发生器的发展同样离不开电力电子器件的发展，并在一定程度上是随着其发展而发展的依据超声波发生器末级功放管所采用的器件类型，可看出其所发展经历的几个阶段：1、 早期的产品是采用电子管，然后发展到可控硅变式超声发生器，他们缺点很多，都已经被淘汰。2、 晶体管式超声发生器。各种O

12、CL及OTL功放级电路军车适用于发生器，其线路成熟，成本较低，但体积大，质量重，很难调整到超声换能器最佳频率谐振点上，输出功率受功率管限制，不能达到理想的效果。不易于采用现代的数字方式来处理，仅仅在小功率（200W一下）应用。3、 功率模块超声发生器。通过调节开关管的占空比来控制输出的功率，具有功耗低，效率高，体积小，重量轻，可靠性好，易于采用数字方式控制。表1-1 三种发生器主要性能特点 类型性能特点 电子管式发生器晶体管式发生器功率模块发生器 线路方式 简单 简单 比较简单 体积 大 中 小 重量 重 中 轻 效率 底（40%） 中（60%-70%） 高（80%-90%） 功率 中 小 大

13、 功耗 大 中 小 成本 低 低 高 自动化程度 低 中 高 保护电路 简单 中 复杂2.1 语音技术语音技术在计算机领域中的关键技术有自动语音识别技术（ASR）和语音合成技术（TTS）。让计算机能听、能看、能说、能感觉，是未来人机交互的发展方向，其中语音成为未来最被看好的人机交互方式，语音比其他的交互方式有更多的优势。最早的语音技术因“自动翻译电话”计划而起，包含了语音识别、自然语言理解和语音合成三项非常主要的技术。语音识别的研究工作可以追溯到20世纪50年代AT&T贝尔实验室的Audry系统，此后研究者们逐步突破了大量词汇、连续语音和非特定人这三大障碍。让计算机说话需要用到语音合成技术，其

14、核心是文语转换技术（Text Speech），语音合成甚至已经用到汽车的信息系统上，车主可以将下载到系统电脑中的文本文件、电子邮件、网络新闻或小说，转换成语音在车内收听。第2章 超声波测距概述本章节首先介绍超声波广泛的用途，详细介绍了出去超声测距之外的主要用途，然后由此引出超声测距的优势以及超声波检测技术的具体应用，最后对超声波测距系统的性能指标和功能进行了介绍。2.1 超声波用途超声波是一种机械振动在媒质中的传播过程，其频率一般在20kHz以上。超声波的应用很广泛，主要是两大类，一是利用较弱的超声波进行各种物理、化学参数的测量和检验，如超声探伤、超声检漏、超声测距等。二是利用高强度的超声波改

15、变物质的性质和状态，如超声钻孔、超声清洗、超声焊接、超声粉碎等，由于这种超声波强度高、功率大，又称为功率超声。 超声波干燥：超声干燥方法可以提高湿气的去除率，降低最终湿气的含量，与普通加热和气流干燥方法相比，优点是干燥速度快、最终湿气含量低且被干燥的材料不会被破坏，也不会被气流吹走。因此，超声波干燥对怕热物料如中药、食品、木制品和纸制品等的脱水有很大潜力。 超声波消毒杀菌：食品在包装过程中大都是用高温加热方法进行消毒杀菌，但有些食品不易承受高温加热处理，如有的水果罐头在罐装过程中，罐内不可避免地会进入或残留一些有害细菌，封口后显然不能再进行加热，最好的办法就是由超声波穿透罐体进入食品将细菌杀灭

16、。 超声波清洗：超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。在电子、电器工业方面超声波可以清洗机器零部件、继电器、开关、印刷电路板、电位器、真空管零件、半导体元件、硅片、电容器、照相机快门等；印刷板油墨、焊料、油质防腐剂、石蜡、磨料、染料；绣、氧化物、盐、手垢、尘土等。 超声波焊接：焊接主要体现在包装中塑料软管的封尾加工上，运用超声波原理对软管、复合管进行尾部封口，工作稳定性好，效率高。超声波软管封尾机系列用于牙膏、化妆品、药品、食品、工业用品，

17、等各类软管封尾。还有无纺布超声波焊接机在包装上应用，如：无纺布手提袋、无纺布包装袋、无纺布购物袋和无纺布过滤袋。2.2 超声波测距特性由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。利用超声波检测往往比较迅速、方便、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，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。2.2.1 超声波用于距离测量的优势近年来，由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。与同类测距方法相比，超声波方法在以下几方面具有明显的优势：

18、(1) 相对于声波，超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减较小、反射能力较强等优势。(2) 相对于光学方法，超声波的波速较小，可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的华宁有一定的适应能力。特别是在海洋勘测方面具有独特的优点。(3) 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。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，反射，折射，干涉，衍射，散射。与物理紧密联系，应用灵活。并且更社和与高温，高粉尘，高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。因此无论从精度还

19、是从可靠性方面，超声波测距做的都比较好。利用超声波检测既迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。具有广泛的发展前景。2.2.2 超声波检测技术由于超声波具有激发容易、检测工艺简单、操作方便、价格便宜等优点，因此在道路状态检测中，特别是高等级水泥路面路基检测中的应用有着较广泛的前景。实践证明，频率愈高，检测分辨率愈高，则检测精度愈高。因此实践中利用超声波检测水泥路面状态时，其上限频率为100KHz、下限频率为20KHz。超声波是一种波，因此它在传输过程中服从波的传输规律。例如：超声波在材料中保持直线行进；在两种不同材料的界面处发生反射；传播速度服从波的传

20、输定理：f（为波速，为波长，f为波的频率）。资料证明，波速对于水泥路面路基检测十分有用，因此一般也称超声波检测法为波速法。波速法是超声波检测水泥路面路基状态的最基本的方法。研究证明，波在介质材料中行进的速度愈大，则介质材料的坚硬性愈大；反之，则介质材料愈松软。而介质材料的坚硬性实质上也反映了该种材料强度的高低，因此材料强度愈高，波速应愈大；材料强度愈低，则波速应愈小。这样，知道了波速，亦即知道了材料强度。在土工试块及某些岩体中利用波速法进行无损检测有比较成熟的经验，用得也比较广泛。但水泥路面路基情况比较特殊，作为无损检测的超声波探头无法生根或埋置，从而造成检测工作的难度。因此，应该采用波速法与

21、回弹法相组合的综合法。常用的超声波检测方法有共振法、穿透法、脉冲反射法等。(1) 脉冲反射法是通过内部缺陷或者试件的底部反射回波的情况来对实践中缺陷的大小和位置进行评估。在金属板缺陷的定位判断、检测套管和腐蚀及缺陷、人体血管壁超声传输特性研究、钢管的厚度测量、混凝土内部结构等领域都得到广泛的应用。(2) 共振法是根据声波在试件中呈共振状态来测量试件厚度或判断有误缺陷的方法。南京大学声学研究所研制的超声共振自动测试系统主要用于表面较光滑的工件的厚度检测、金属焊接残余应力检测等。(3) 穿透法则是在试件的两侧放置探头，一个探头发射超声波到试件中，而另一个则接收穿透时间后的脉冲信号，根据信号强度和幅

22、度的变化来判断内部缺陷情况。这种方法在金属夹杂物缺陷的检测等探伤方面得到广泛的应用。在用非接触法进行无损检测时，加入耦合剂是为了减少超声波在探头与检测面之间的损耗，提供较好的穿透能力，获得更好的检测效果。常见的非接触式超声检测技术有电磁超声检测技术、空气超声检测技术以及激光超声检测技术。(1) 20世纪60年代末电磁声换能器（EMAT）的出现，使得无损检测能够在高温、高速等恶劣条件下得以实现。EMAT靠电磁效应激发和接收超声波，由电磁铁、高频线圈及北侧试件组成。在实际应用中通过改变不同形状的磁铁和线圈的排列方式，可以产生纵波、横波、表面波和LAMB波等不同模式的超声波。基本原理是高频线圈通过电

23、流时，在试件的表面就会感应涡流，此涡流在磁铁提供的外加磁场的作用下都会产生洛仑磁力，在此机械力的作用下产生高频振动，形成超声波。接收超声波时，试件表面的震荡也会在外加磁场的作用下，在高频线圈中感应出电压而被仪器接收。电磁超声只能在导电介质上，因此主要应用于金属材料的检测，跟传统的超声波检测技术相比具有无需任何耦合剂、灵活的产生各类波形、声传播距离远、检测速度快等特点。在金属探伤、火车车轮裂纹的检查等方面得到很好的应用。(2) 空气耦合是一种直接用空气作耦合剂的方法。探头发射的超声波，经过空气后，进入被检测试件，透过试件的超声波再被接收探头接收。换能器和试件之间不需要耦合剂，但主要受三方面的影响

24、：超声波在空气中的衰减、气固表面超声波的大量反射和超声换能器的转换效率。这三个方面限制了空气耦合技术的发展。Grandia在1995年就开始对空气耦合式换能器的研究，提出了通过增加耦合层的方法制作适应以空气作介质的换能器和采用显微加工技术制作静电换能器这两种方法，基本原理和制作方法都进行了比较。国内空气耦合超声检测及时的发展受实验环境、人员水平等条件的限制，发展很缓慢。美国QMI实验室和加拿大R&D公司相继研发成功了100kHz-5MHz的压电换能器给空气耦合超声检测技术工程带来了希望。1997年董正宏等以航天符合材料无损检测为背景建立了空气耦合式超声检测试验系统，并与传统浸入式超声检测技术相

25、比较，分析和评估了耦合式超声在检测灵敏度、回波信号动态范围等方面与传统浸入式检测存在的差异。针对空气耦合存在的不足，提出了相应的解决办法。(3) 激光超声技术的研究始于1963年由WhitRM提出用脉冲激光产生超声脉冲。激光乐意通过热弹效应和烧蚀作用并且利用北侧材料周围的其他物质作为中介这两种方法激发超声波。激光超声波极力检测可以利用超声换能器和光学法检验技术实现，光学法可以分为干涉和非干涉两种。干涉法又分为刀刃检测技术、表面栅格衍射技术、反射率监测技术等。现代超声无损检测技术沿着智能化、自动化、图像化、数字化、小型化、系列化、多功能化、信息化和交叉领域的方向发展。检测技术、成像技术的成熟，是

26、超声波技术已经满足现代质量对无损检测技术的要求。无线通讯技术和计算机的应用，使得超声检测技术可以克服传统技术上有线传输的种种缺点。在国民经济高速发展的趋势下，超声检测作为许多产品质量保障的重要手段之一必将得到更多的关注和提高。2.2.3 系统性能指标(1) 超声波电路时间增益补偿由于声速远小于光线和无线电波在空气中的传播速度，超声波测距法电路简单、造价较低。但是超声波测距也有他固有一些缺陷，首先是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差。其次是超声波脉冲在发射、空气中传播和接收的过程中，其回波信号被展宽。由于超声波收、发传感器均由电陶瓷

27、构成，压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，均存在惯性、滞后等现象，导致回波信号被展宽，另外超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，也导致回波信号被展宽。这些因素造成了回波正确到达时间的不确定性,对测量精度造成较大的影响。当然还有温度和风速的影响,但影响超声波测距精度的主要还是回波到达时间的检测误差,正确检测回波到达时间,能使超声波测距精度获得提高。下面就以上两个影响回波到达时间检测的关键因素,讨论如何正确检测回波到达时间,并给出了相应电路设计。时间增益补偿电路超声波在空气中传播时,声强会随传播距离的增加而减小,这就是所说的衰减现象,造成超声波衰减的因素是由于声束本身的扩散以及以及由于反射、散

28、射等原因造成的声强度减弱。显然,这一类衰减没有使声波的总能量减少,只是使其偏离了原来的传播方向而转移到其他方向上去了。设最初的声强为在经过距离后,由于吸收衰减,声强变为I,则超声波的吸收可以用式(2)表示: 式中,为空气衰减系数。由上式可知,超声波在空气中传播时,随着传播距离的增加,其总能量逐渐减弱,其规律是按指数形式衰减。因此,在不同距离上的回波脉冲幅度,由于其声程不同,造成的吸收程度也不同,使回波脉冲幅度的差异很大,由于在回波脉冲信号处理中通常采用比较器电路,将回波脉冲(形状为钟形)跟一固定的基准电压作比较,将回波脉冲整形为方波;由于不同距离的回波脉冲幅度差异较大,回波到达时间产生不确定性

29、,导致测量误差产生。时间增益补偿电路是一种放大倍数随时间呈指数增加关系的一种放大器,设计中增益控制采用了数字电位器,并利用单片机的强大功能,将单片机内部事先设定的补偿数据对数字电位器进行衰减状态控制,可进行精确的时间增益补偿。利用单片机控制数字电位器,电路实现简单且补偿特性能根据实际情况调整,充分利用了单片机软件资源,在实际使用中收到了较好的效果。(2) 超声波测距中温度补偿在常温下,超声波的传播速度为340m/s,但其传播速度V易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中温度的影响最大。一般温度每升高1,声速增加约为0.6m/s。表2-1为超声波在不同温度下的波速值。表2-1 波速与温度系

30、数表温度（）-30-20-100102030100波速（米/秒）313319325323338344349386由此可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。为了得到较为精确的测量结果,必须对波速进行温度补偿。通过实验可获得波速与温度之间的经验模型:V=331.5+0.607T,T为现场温度,V为实际波速。从式中可看出,要获得准确的波速值,必须首先获取现场温度T的大小。本文采用DS18B20检测现场温度,用以实现实际波速的校准。第三章 超声波测距原理本章节首先介绍超声波发生器的技术标准以及类型，然后引出了电压式超声波发生器原理，最后介绍了超声波测距的基本原理。3.1 超声波发生器超声波发生

31、器，通常称为超声波电箱、超声波发生源、超声波电源。它的作用是把我们的市电（220V或380V，50或60Hz）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路，大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化。从目前超声业界的情况看，超声波主要分为自激式和它激式电源。如下图3-1、图3-2。图 3-1 自激式图3-2 他激式(1) 小功率超声波发生器|高频超声波控制箱超声波内置发生器，一体式超声波发生器。一性能简小功率超声波发生器介：控制箱采用微电

32、脑控制下的它激式线路，频率自动跟踪及扫频工作方式等先进技术。与传统控制箱相比，具有工作稳定可靠、超声功率连续可调，能最大限度地发挥换能器的潜能。工作频率自动跟踪，使输出匹配更佳，功率更加强劲，效率更高。独特的扫频工作方式，使清洗液在扫频的作用下形成一股细小的回流，及时把超声剥离下来的污垢带离工件表面，从而达到更快速、更彻底的清洗效果，超声清洗效率更高。同时，具有完善的保护功能：过热保护和过流保护，工作更加可靠。小功率超声波发生器配合数码功率调整可适应各种不同的清洗要求。二主要技术指标：工作电压：220V 10% 额定功率100W、200W、300W工作频率：28 KHz 40KHZ 时间控制：

33、0-59分59秒 功率控制范围：0-100% 16级数控调节机内过热保护：65 C外型尺寸：L x W x H = 198 x 120 x 50 适用于：小功率超声波清洗机，家用清洗机，内置发生器型超声波机。(2) 高频超声波发生器|40KHZ超声波发生器控制箱采用微电脑控制下的它激式线路，频率自动跟踪及扫频工作方式等先进技术。与传统控制箱相比，具有工作稳定可靠、超声功率连续可调，能最大限度地发挥换能器的潜能。工作频率自动跟踪，使输出匹配更佳，功率更加强劲，效率更高。独特的扫频工作方式，使清洗液在扫频的作用下形成一股细小的回流，及时把超声剥离下来的污垢带离工件表面，从而达到更快速、更彻底的清洗

34、效果，超声清洗效率更高。同时，具有完善的保护功能：过热保护和过流保护，工作更加可靠。工作电压：220V 10%额定功率600W、900W、1200W、1500W、1800W 2400W、2700W工作电流2.5A 、3.5A 、4.5A 、5A 工作电流：请注意，设备不能在长时间在大于额定电流的状态下运行环境温度：0-40C相对湿度： 40%-90% 。工作频率：25kHz 、28kHz 、40kHz、35kHz、68kHz、120kHz时间控制：0-59分59秒功率控制范围：0-100% 16级数控调节机内过热保护65。外型尺寸：L x W x H = 300 x 360 x 150。(3)

35、 机械式超声波发生器|大功能超声波发生器由超声波发生器产生的高于28KHZ音频电信号，通过换能器的压电逆效应转换成同频率的机械振荡，并以超音频纵波的形式在清洗液中辐射。由于超音频纵波传播的正压和负压交替作用，产生无数超过1000个大气压的微小气泡并随时爆破，形成对清洗物表面的细微局部高压轰击，使物体表面及缝隙之中的污垢迅速剥落，这就是超声波清洗所特有的“空化效应”。(4) 数字显示超声波发生器传统的A类、B类、C类放大器是把有源器件(例如晶体管为讨论对象)作为电流源工作。在这些放大器中，晶体管工作在伏安特性曲线的有源区。集电极电流受基极激励信号控制作相应变化，而集电极电压是正弦波或正弦波的一部

36、分。因此集电极在信号一周内同时存在颇大的电流和电压。要消耗相当一部分功率，这就是传统放大器的能量转换效率受限制的主要原因。开关模式放大器在提高放大器效率方面做了质的改革，它把有源器件作为接通、断开的开关运用。晶体管工作在伏安特性曲线的饱和区或截止区。当晶体管被激励而接通时进入饱和区，断开时进入截止区。由于晶体管饱和压降很低，集电极功耗降到最低限度，提高了放大器的能量转换效率。一般在理想的晶体管条件下(饱和压降为零，饱和电阻为零断开电阻为无穷大，开关时间为零)，属于开关模式工作的D类放大器，理论效率为100%，实际效率可达90%以上。而通常的A类放大器效率只有 50%，B类效率为78.5%。从中

37、看出开关模式功率放大器在功率超声的应用中具有相当大的实际意义。实际使用中大多数的超声波发生器都是B,C类放大器，C类居多，部分特殊用途的设计为B类。3.2 电压式超声波发生器原理超声波发生器的原理是首先由信号发生器来产生一个特定频率的信号，超声波发生器个信号可以是正弦信号，也可以是脉冲信号，这个特定频率就是换能器的频率，一般应用在超声波设备中的超声波频率为20KHz、25KHz、28KHz、33KHz、40KHz、60KHz；100KHz或以上现在尚未大量使用。(1) 发射原理图3-3 超声波发射原理图发射电路主要由反相器74LS04和超声波换能器构成，单片机P1.0口输出40khz的方波信号

38、一路经一级反相器送到换能器的一端，另一路经两级反相器后送到换能器的另一端，用这种推挽的方式把方波信号加到换能器两端可以提高超声波发射的强度。(2) 接收原理P1.1图3-4 超声波接收原理图接收电路主要由CX20106芯片构成。CX20106A是红外线遥控接收器，其内部由前置放大、带通滤波、检波和波形整形等电路组成。通过外接电阻，将其内部带通滤波电路的中心频率f0设置为40KHz，就可接收和放大超声波电信号，并整形输出负脉冲电压。该器件的引脚1是超声波电信号输入端，引脚2与地之间连接RC串联网络，这是内部前置放大电路负反馈网络的组成部分，改变电阻R2的数值则改变前置放大电路的增益。引脚3与地之

39、间连接检波电容C4，适当改变C4就可改变超声波电信号放大和整形电路的灵敏度和抗干扰能力。引脚5与电源间接一只电阻，用以设置内部带通滤波电路的中心频率f0。当R5=200 k时，f0=40 kHz。引脚6与地之间接一只积分电容C6标准值为330pF。引脚7是电路集电极开路输出端，R6是该引脚的上拉电阻。当CX20106A无信号输入时，引脚7输出高电平。输入的超声波电信号经放大、整形后，引脚7输出负脉冲电压。 3.3 超声波测距原理超声波测距主要应用于倒车雷达、建筑施工工地以及一些工业现场，例如：液位、井深、管道长度等场合。目前国内一般使用专用集成电路设计超声波测距仪，但是专用集成电路的成本很高，

40、并且没有显示，操作使用很不方便。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t,然后求出距离S=Ct/2，式中的C为超声波波速。图3-5 超声波测距仪原理框图第4章 系统模块本章节主要对整个设计中的各个模块的使用方法进行详细的介绍，包括其在整个系统中的作用。其中主要有STC89C52单片机、SYN6288语音芯片、单线程温度传感器、液晶显示模块、功率放大器。功率放大器为音频功率放大器。4.1 STC89C52单片机STC89C52是一种带8K字节闪烁可编程可檫除只读存储器（FPEROM-Flash Programable and Erasable

41、Read Only Memory ）的低电压，高性能COMOS8的微处理器，俗称单片机。该器件采用ATMEL搞密度非易失存储器制造技术制造，与工业标准的MCS-51指令集和输出管脚相兼容。单片机总控制电路如下图41：图4-1 单片机总控制电路4.1.1 时钟电路STC89C52内部有一个用于构成振荡器的高增益反相放大器，引脚RXD和TXD分别是此放大器的输入端和输出端。时钟可以由内部方式产生或外部方式产生。内部方式的时钟电路如图42(a) 所示，在RXD和TXD引脚上外接定时元件，内部振荡器就产生自激振荡。定时元件通常采用石英晶体和电容组成的并联谐振回路。晶体振荡频率可以在1.212MHz之间

42、选择，电容值在530pF之间选择，电容值的大小可对频率起微调的作用。外部方式的时钟电路如图42（b）所示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。示，RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。RXD接地，TXD接外部振荡器。对外部振荡信号无特殊要求，只要求保证脉冲宽度，一般采用频率低于12MHz的方波

43、信号。片内时钟发生器把振荡频率两分频，产生一个两相时钟P1和P2，供单片机使用。 （a）内部方式时钟电路 （b）外部方式时钟电路图4-2时钟电路2.复位及复位电路（1）复位操作复位是单片机的初始化操作。其主要功能是把PC初始化为0000H，使单片机从0000H单元开始执行程序。除了进入系统的正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，也需按复位键重新启动。除PC之外，复位操作还对其他一些寄存器有影响，它们的复位状态如表4-1所示。表4-1 一些寄存器的复位状态寄存器复位状态寄存器复位状态PC0000HTCON00HACC00HTL000HPSW00HTH000

44、HSP07HTL100HDPTR0000HTH100HP0-P3FFHSCON00HIPXXBSBUF不定IE0XBPCON0XXX0000BTMOD00H（2）复位信号及其产生RST引脚是复位信号的输入端。复位信号是高电平有效，其有效时间应持续24个振荡周期(即二个机器周期)以上。若使用颇率为6MHz的晶振，则复位信号持续时间应超过4us才能完成复位操作。产生复位信号的电路逻辑如图4-3所示： 图4-3 复位信号的电路逻辑图整个复位电路包括芯片内、外两部分。外部电路产生的复位信号(RST)送至施密特触发器，再由片内复位电路在每个机器周期的S5P2时刻对施密特触发器的输出进行采样，然后才得到内

45、部复位操作所需要的信号。复位操作有上电自动复位相按键手动复位两种方式。上电自动复位是通过外部复位电路的电容充电来实现的，其电路如图4-4（a）所示。这佯，只要电源Vcc的上升时间不超过1ms，就可以实现自动上电复位，即接通电源就成了系统的复位初始化。按键手动复位有电平方式和脉冲方式两种。其中，按键电平复位是通过使复位端经电阻与Vcc电源接通而实现的，其电路如图4-4（b）所示；而按键脉冲复位则是利用RC微分电路产生的正脉冲来实现的，其电路如图44（c）所示： （a）上电复位 （b）按键电平复位 （c）按键脉冲复位图44复位电路上述电路图中的电阻、电容参数适用于6MHz晶振，能保证复位信号高电平

46、持续时间大于2个机器周期。本系统的复位电路采用图44（b）上电复位方式。4.2 SYN6288语音芯片SYN6288语音合成芯片，继承了OSYN6188语音芯片的优秀特点：最小SSOP28L贴片封装、硬件接口简单那、低功耗、音色清亮圆润、极高的性/价比；除此之外，SYN6288在识别文本/数字/字符串更智能、更准确，语音合成自然度更好、可懂度更高。SYN6288语音合成效果和智能化程度均得到大幅度提高，是一款真正面向中高端行业应用领域的中文语音合成芯片。SYN6288语音合成芯片的诞生，将推动TTS语音合成技术的行业应用走向更深入、更广泛！4.2.1 系统结构框图最小系统包括：控制器模块、SY

47、N6288语音合成芯片、功放模块和喇叭。主控制器和SYN6288语音合成芯片之间通过UART接口连接，控制器可以通过通讯接口向SYN6288语音合成芯片发送控制命令和文本，SYN6288语音合成芯片把接收到的文本合成语音信号输出，输出的信号经功率放大器放大后连接到扬声器进行播放。图4-5 系统构成框图4.2.2 芯片结构图图4-6 SYN6288小模块引脚示意图4.3 单线程温度传感器目前,温度测量方法很多，温度传感器也非常普遍。DS18B20芯片的“一线式”温度传感器。该传感器只需占用微处理器的一个普通端口,并且多个传感器可以并联在一起使用,适用于多点温度检测系统,节约了大量系统资源。DS1

48、8B20通过一个单线接口发送或接收信息，因此在中央微处理器和DS18B20之间仅需一条连接线（加上接地线）。用于读写和温度转换的电源可以从数据线本身获得，无需外部电源，这样就可以把温度传感器放在许多不同的地方。图4-7 DS18B20引脚接线图引脚说明表4-2 DS18B20引脚说明图16引脚SSOPPR35符号说明91GND接地82DQ数据输入/输出脚。对于单线操作：漏极开路73VDD可选的VDD脚下图4-8的方框图示出了DS18B20的主要部件。DS18B20主要数字部件：1）64位激光ROM，2）温度传感器，3）非易失性温度报警器触发器TH和TL。DS18B20可以用5V电源供电。图4-

49、8 DS18B20方框图4.4 液晶显示模块1602液晶显示器是一种用57点阵图形来显示字符的液晶显示器，根据显示的容量可分1行16个字、2行16个字、2行20个字等。LCD1602是2行16个字(英文数字)，如图：图 4-9 1602液晶显示引脚示意图第1脚：VSS为电源地，接GND。第2脚：VDD接5V正电源。第3脚：液晶显示偏压信号第4脚RS：数据/命令选择端（H/L）第5脚R/W：读/写选择端（H/L）第6脚E：E为使能信号，当E端由高电平跳变为低电平时，向液晶模块写；保持高电平时读模块。第714脚：D0D7为8位双向数据线第15脚：BLA背光电源正极（接+5V）第16脚：BLK背光电

50、源负极（接GND）4.5 功率放大器M3886TF是美国NS公司推出的新型的大功率音频放大集成电路，其后面的TF为全绝缘封装，和LM1875T相比，它的功率较大，在额定工作电压下最大可达68的连续不失真平均功率，同样具有比较完善的过压过流过热保护功能，最可贵的是它具有自动抗开关机时的电流冲击的功能，使扬声器能够安全的工作。LM3886优异的性能，使得它在近几年音响制作中广泛的应用，许多成品功放机中就有直接的应用它担任后级功放或者用它作为重低音放大电路。采用了美国NS公司（国家半导体公司）推出的新型高保真音响功放集成电路LM3886TF作功率放大，用运放NE5532或AD827作前置线性放大和音

51、调放大。其特点有：输出功率大（连续输出功率68W）、失真度小（总失真加噪声003）、保护功能（包括过压保护、过热保护、电流限制、温度限制、开关电源时的扬声器冲击保护、静噪功能）齐全，外围元件少，制作调试容易，工作稳定可靠。 图4-10 LM3886引脚示意图第5章 超声波盲人导航及语音提示系统设计盲人导航系统主要由超声波发生器、超声波接收电路、单片机系统、语音报警电路、耳机等组成。系统的核心为单片机系统主要完成信号的发生和接收以及信息的处理等。超声波发射部分主要由激励信号发生电路、缓冲升压放大和超声波换能器等构成。超声波的接收与发射必须协调一致，才能保证信号准确灵敏的接收。该部分主要由接收换能

52、器、放大滤波等组成。5.1 系统结构5.1.1 系统硬件结构本设计超声波盲人导航及语音提示系统设计框图如图5-1所示。图5-1 系统框图结构系统由ATMEI公司生产的STC89C52单片机、超声波发射电路、超声波接收电路、LCD显示电路和语音模块组成。STC89C52作为整个系统的控制器，协调各个部分电路工作。通过STC89C52的P1.0管脚产生使能信号，并驱动超声波发射电路产生40kHz的脉冲信号，并驱动超声波传感器发射超声波。当第一个脉冲发射后，启动计数器开始计数，超声波回波信号通过放大和判别后送到单片机的外部中断器，单片机一旦接收到回波信号，便产生外部中断，单片机STC89C52停止计

53、数，从而得到超声波的穿越时间，最后利用公式计算出距离，并由显示和语音模块播音提示。本设计其技术问题所采用的技术方案是：以51系列单片机为控制核心，在外围搭建包括电源模块、超声波探测器模块、语音提醒器模块和耳机接口模块、温度补偿模块。语音芯片采用syn6288语音芯片，该芯片可以通过异步串口（UART）通讯方式接受待合成的文本数据实现文本到语音的转换，并且由于该芯片内置了推挽式DAC，可直接驱动喇叭或耳机，进行声音播报。测温芯片采用ds18b20，将所测温度和超声波探测器所测时间带入公式，得到经过温度补偿后的距离，精确度得到大幅提高。当开启语音提示导盲器后，由超声波探测器获取数据，经单片机处理后

54、将数据发送给语音提醒器，然后驱动语音芯片通过耳机对盲人进行提醒。具体实施方式本语音提示导盲器上电后，超声波探测器发送超声波，同时单片机定时器开启，当超声波探测器接收到超声波时，单片机定时器关闭，所得时间除以二，即为声音从超声波探测器传播到障碍物所需时间，记为t。测温模块采用DS18B20芯片，将所测温度和时间t带入公式，得到经过温度补偿后的距离。通过单片机，将距离转换为GB2312、GBK、BIG5或者UNICODE内码格式，发送给语音芯片SYN6288。语音芯片不停地检查busy-status引脚，高电平表示芯片忙，正在进行语音合成和播报。低电平表示芯片空闲，可接收单片机发送的命令和数据。当

55、语音芯片接收到单片机发送过来的命令和数据后，对数据进行数模转换，驱动耳机或者扬声器进行语音提示。5.1.2系统软件设计系统软件主要完成超声波的产生、计时、计算，以及结果显示和语音播报功能。它包括主程序、计算机子程序、LCD液晶显示子程序、语音播报子程序、定时中断子程序等。主程序主要完成寄存器、变量初始化、超声波产生，以及显示程序和语言提示子程序的调用。中断子程序用来响应回波信号，当有回波信号时，立即停止计时，然后转入计算机程序。主程序流程图如图5-2所示。首先是对系统环境初始化：设置定时器T0、T1工作模式为16位定时器模式（T0用于超声波发射计时及显示时间计时，T1用于超声波传播时间计时）；外部中断为边沿触发、低电平有效；然