具有实时语音播报的超声波测距仪的设计与报告

1、具有实时语音播报的超声波测距仪的设计与总结报告摘要：本系统采用集成语音播报电路功能、 键盘电路功能及便于携带、 方便操作等优点 于一体的由干电池供电的凌阳 SPCE061的核心控制器件，采用 NE555和电容电 阻组成的电路产生40KHZ的方波，以使超声波传感器产生谐振，而后面的CD4049 则对40KHz频率信号进行调理从而共同构成超声波谐振频率发生电路与调理电 路；超声波回波接收处理部分的电路前级采用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大，后级采用LM311比较器对接收信号进行调整。设计中充分利 用凌阳SPCE061单片机的运算及控制功能，由本系统构建的具有实时语音播报 的

2、超声波测距仪具有测量准确、 反应迅速、工作稳定、低功耗、便于携带等特点。关键字：超声波测距低功耗凌阳SPCE061A单片机实时语音播报Abstract:The system integrated circuit voice broadcast function, the keyboard circuit functions and easy to carry, easy to operate in one of the advantages of dry-cell batteries powered by Sunplus SPCE061Aas the core control device,

3、the NE555 and the Capacitance of the circuit have a resistance component of the 40KHz square wave so that the ultrasonic sensors have a resonance, and the back of 40KHz frequency on the CD4049 signal conditioning in order to constitute the ultrasonic resonant frequency circuit and conditioning circu

4、it; ultrasonic echo receive part of the circuit to deal with the use of pre-amplifier NE5532 constitute a 10000-fold, to receive signal amplification, after the introduction of the LM311 comparator to adjust the received signal. Take full advantage of the design of single-chip Sunplus SPCE061A compu

5、ting and control functions, built by the system with real-time voice broadcast with the measurement of ultrasonic range finder is accurate, responsive, stable, low power consumption, easy to carry and so on.Key words:Ultrasonic ranging low-power single-chip Sunplus SPCE061A real-time voice broadcast

6、目录1. 系统设计 （ 1）1.1 设计要求 （ 1）1.2 方案比较与论证 （ 1）1.2.1 控制器方案的比较与选择 （ 1）1.2.2 超声波谐振频率发生电路及调理电路方案的比较与选择 （ 1）1.3 系统总体设计 - （ 2）2. 单元电路设计 （2）2.1 超声波谐振频率发生电路及调理电路 （ 2）2.2 超声波回波处理电路 （ 3）3. 软件设计 （3）3.1 开发软件 （ 4）3.2 软件实现 （ 4）3.2.1 超声波测距原理 （ 4）3.2.1.1 超声波脉冲法测距原理 （ 4）3.2.1.2 超声波测距模组信号 （ 4）3.2.1.3 软件控制脉冲发射及检测回波信号 （ 5

7、）3.3 软件流程 （5）3.3.1 主程序 （ 5）3.3.2 超声波测距程序 （ 6）333 16HZ寸基中断处理程序 （7）334 EXT1外部中断程序- （8）4. 系统测试 （ 9）4.1 测试仪器与设备 （ 9）4.2 指标测试 （ 9）4.2.1 测试方法 （ 9）4.2.2 测量数据及结果 （ 9）4.2.2.1 距离测量 - （ 9）4.2.2.2 语音播报与显示测试 （ 9）4.2.2.3 误差分析 （ 9）4.2.3 仪器型号 （ 10）5. 结论 （10）附录 参考文献1. 系统设计1.1设计要求设计并制作一台具有实时语音播报的超声波测距仪（原理框图如图所示）要求该系统

8、：具有反射式超声波测距功能，测量距离 0.2 m3.0m测量距离精度：误差土 1cm自动语音实时播报测量距离数值：几点几几米播报声音无明显失真实时显示测量的距离（实时显示要与语音播报同步）显示格式为：贡1.2方案比较与论证1.2.1控制器方案的比较与选择方案一：普通51系列单片机，例如MC51系列，仅支持汇编语言，如 若想要构成复杂系统则需要另外组建较多模块， 因而设计通常笨拙、功耗大并且 不便于携带。方案二：凌阳SPCE061型单片机是一种集成语音播报电路功能、键盘电 路功能及由干电池供电的便携式高性价比的控制器，除汇编语言外还支持C语言。基于上述原因拟选用方案二。1.2.2超声波谐振频率发

9、生电路及调理电路方案的比较与选择方案一：采用三极管推动变压器完成对 40KHZ方波的升压，由于变压器的参数 离散，同时自行绕制的变压器参数很难完全满足设计要求， 虽然变压器发射电路 可以使发射电压升得很高，但是发射波形发生严重畸变，发射效率并不高而且推 动三极管的功耗很大，不适用于用干电池供电的系统。方案二：采用单片机内部定时器定时，在I/O 口上产生40khz的方波，再经CMOS 低功耗型器件CD4069反向器，在超声波发射头上产生正负5V的电压，可提高发 射强度，增加测量距离，并且省电。考虑本系统要求的低功耗及远距离测量要求，拟选用方案二。1.3系统总体设计系统采用集成语音播报电路功能、键

10、盘电路功能，由干电池供电的凌阳SPCE061A为核心控制器件，采用 NE555和电容电阻组成的电路产生 40KHz的方 波，以使超声波传感器产生谐振，而后面的 CD4049则对40KHZ频率信号进行调 理从而共同构成超声波谐振频率发生电路与调理电路；超声波回波接收处理部分 的电路前级采用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大，后级采用 LM311比较器对接收信号进行调整。详细系统结构框图：2. 单元电路设计2.1超声波谐振频率发生电路及调理电路VCCU2CU1 0PLJS_EN1 4？m FiTRIG DSICVoUJTURNE555Cl1D3U2AL2B0出畀乱引FF1CC_

11、J11510R35.1K1191：CD4C4SLB/FPU2DCD4G45UB/FPU2E02 103CD4M3UB/FPU2F丄 C22_22u C l 110412t4,15CD4C45bB/FP224US1SijpenSHjnd_1WAVI2采用NE555和电容电阻组成的电路产生40KHZ的方波，以使超声波传感器产生谐 振，而后面的CD4049则对40KHZ频率信号进行调理从而共同构成超声波谐振频 率发生电路与调理电路。2.2超声波回波接收处理电路C5104耶1UNE563-AAA憔4224!HV= i'.EIpipVEMTT '此 IH COLOiHNkSTR031；

12、IWCTVCC5THTJL'P COMEN超声波回波接收处理部分的电路前级采用 NE5532构成10000倍放大器，对接收 信号进行放大，后级采用LM311比较器对接收信号进行调整。3. 软件设计3.1开发软件unSP IDE2.0.0、multisim3.2软件实现3.2.1超声波测距原理321.1超声波脉冲法测距原理声波在其传播介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡 时就会发生反射，反射波称为回声。假如声波在介质中传播的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，那么就可以计算出从声波到目标的距离，这就是本系统的测量原理。这里声波传播的介

13、质为空气，采 用不可见的超声波。假设室温下声波在空气中的传播速度是335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是t秒，距离d可以由下列公式计算：d=33550(cm/s) x t(s)由于声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是 d/2。3.2.1.2超声波测距模组信号图中可见，接收回路中测得的超声波信号共有两个波束， 第一个波束为余波信号， 即超声波接收头在发射头发射信号(一组40KHZ的脉冲)后，马上就接收到了超 声波信号，并持续一段时间。另一个波束为有效信号，即经过被测物表面反射的 回波信号。超声波测距时，需要测的是开始发射到接收到信号的时

14、间差， 在上图中就可看出， 需要检测的有效信号为反射物反射的回波信号，故要尽量避免检测到余波信号，这也是超声波检测中存在最小测量盲区的主要原因。3.2.1.3 软件控制脉冲发射及检测回波信号系统的Demo程序采用的是脉冲测量法，由凌阳 SPCE061A空制电路发生40KHz 的脉冲信号，每次测量发射的脉冲数至少要 12个完整的40KHz脉冲（Demo程序 中为 20 个左右）。同时发射信号前要打开计数器， 进行计时； 等计时到达一定值 后再开启检测回波信号，以避免余波信号的干扰。采用外部中断对回波信号进行检测（回波信号送到单片机的为一序列方波脉 冲）。接收到回波信号后，马上读取计数器中的数值，

15、此数据即为需要测量的时 间差数据。为避免测量数据的误差， 程序中对测距数据的处理方法是： 每进行一次测距， 利 用时基中断测量 4 次，即取得 4组数据，经过处理后得到这一次测距值。3.3 软件流程以下是程序模块中的主要的文件类型和功能说明：C程序文件及其说明：main.c （主程序）、IntDocument.c （有关测距 的中断服务程序） 、 UserFu n ct i o n . c （有关测距的应用程序） 、Speech.c （语音整合程序）；汇编程序文件及其说明： isr.asm （语音播放的中断服务程序） 、DataOS_A.asm（数据处理程序）、Key.asm （键盘及液晶驱动

16、程序）。 其中，在Demo程序中与超声波测距有关的文件为：UserFu nctio n.c、 IntDocument.c、DataOS_A.asm具体用法请参考Deme程序的注释。3.3.1 主程序流程图以及相关的程序流程图如图所示：5測距初始化 诳也扫描初始化332超声波测距程序Dem（程序中，超声波测距的功能函数流程图如图所示:用户需要先调用测距初始化函数InitMeasure(),再调用该函数BeginMeasure() 即可进行一次测距操作，函数返回值为测量结果。每一次测距要进行四次测量，这四次的测量结果需要经过处理后才可得到最终的测距返回值，而四次测量的控制以及测量结果的处理都是在这

17、个函数中完成的。具体处理方法：每一次测距中的四次测量的间隔时间用 16Hz的时基中断来控制。 每次测量，先发射20个40KHz脉冲(参见16Hz中断)，然后使能测量时间基准 计数器，当计数到4ms时，打开EXT1外部中断，等待回波反射到接收头。四次 测量全部完成后，再对测量的结果进行处理、换算及出错处理，用户可以根据不 同的应用对数据处理部分的程序作适当的调整。等待4ms的原因：压电式的电声传感器存在余波干扰，而有部分声波会沿电路板 直接传到接收头，经接收电路的放大后，系统就有可能把它误认为是反射回来的 回波信号。333 16Hz时基中断处理程序16Hz的时基中断处理程序里，主要进行检查上次测

18、量是否超时，若超时便会转 到超时处理程序，然后进行下一次的测量启动，即再次发送20个40KHZ方波脉冲。334 EXT1外部中断程序开始1f关外部中断EXTL 韶分标识清零1r读取本次测竜值 存入缓存”井逬行初 步数据处理%返回当回波触发控制器的外部中断后，程序会转到 EXT1外部中断服务子程序中读取 测量结果，并作数据的初步处理。4. 系统测试4.1测试仪器与设备10m卷尺一个、30cmX 20cm的木板一块、4节5号碱性干电池。4.2指标测试4.2.1测试方法使用10m卷尺测量超声波探头与被测物之间的距离，与显示值进行比较4.2.2测量数据及结果4.2.2.1 距离测量实际距离(m)测量值

19、(m)最大绝对误差(m)0.050.060.010.100.090.010.200.210.010.400.4000.600.590.010.80 10.820.021.001.020.021.501.530.032.00 2.020.022.502.510.013.003.020.023.503.5004.003.990.014.504.510.015.005.030.035.505.540.044.2.2.2语音播报与显示测试当显示值为0.99m时，语音实时播报0.99米，播报正确满足要求4.2.2.3误差分析为什么测量时所测得的距离数据与实际距离有出入呢？解答：所有的测量用的传感器都需要进行标定以及数据补偿，本系统在Dem(程序中作了一定的标定及软件数据补偿，但并不能针对每一个传感器作出很精确的 标定，所以当使用者需要真实的测量结果时，最好再进行数据的标定。为什么有时候设置以及测量方法都是正确的， 测量得到的数据总 是错的呢？解答：如果一切都按照操作要求来做的话， 总出错时应该是电源问题， 请用数字 万用表检测一