一种具有双重输出功能的超声波测距系统

BillScot2

摘要:本文研究了以AT89C2051单片机为核心的超声波测距传感器的工作原理,系统组成，硬件电路和软件设计方法。创造
% b) O/ G' s; c# E7 z性地引入了ISD1420 语音芯片电路,与LED相结合,使系统同时具有数码显示和自动语音报数双重结果输出功能,适于在
/ o8 `" G9 u, n% f特殊环境下和特殊人群使用,更具有便捷性和新颖性。同时分析了温度补偿问题和盲区问题,提出了解决方法。
关键词:超声波;测距传感器;AT89C2051单片机;ISD1420芯片;自动语音报数
% x8 H# m6 k# t7 M' D( ?1引言
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距
, w# J' K" K) S; b9 l8 F离较远,因而可用于测距仪、物位测量仪和行走机器人的研制。
目前国内一般多使用专用集成电路设计超声波测距仪,但是专
用集成电路的成本较高。本文研究了以AT89C51单片机为核
心的低成本、高精度、微型化超声波测距仪的硬件电路和软件
设计方法。本系统除了核心一单片 机和超声波收发装置及
0 N: b1 j: B5 V& F; L* yLED数码显示模块外，创造性地引入了ISD1420语音报数电
路,从而具有双重显示功能,适于在特殊环境下和特殊人群使
用，更具有便捷性和新颖性。
; Y/ {* J2 N* i' J2超声波传感器和测距原理
2.1测量原理
) l2 ]' @5 u9 ]: V1 J; ^- O总体上,超声波发生器分为两类:-类是利用电器方式产生
超声波,另一类是利用机械方式产生超声波。目前较为常用的
: M1 h; G; b1 ^% h& U是压电式超声波发射器。主要是利用压电效应的原理将电能和
超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超
# q& @; Y: c; n, [4 {5 s声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。实际.
) A; s  U* r( ]4 v# D6 j设计中,将超声波发送器和接收器装在--起,合称为超声波传
2 n3 _2 F# \! {* z# f3 ?3 D" m感器。其发射频率不低于20KHz。
& R( N$ c( [* n9 [8 x3 X传感器发出40KHz超声波,但并不是单独发射一个脉冲，
而是一串的几个脉冲,并对
测量逻辑电路提供--个短脉冲,开始计时,超声波接收器
, z! T  e# X" b! O2 m( ?( t! u接收到遇到障碍而返回的脉冲串1
前端,同样也对测量逻辑电路提供一个短脉冲,计时结束，
* H. @0 m0 G- s这就得到了超声波运行时间间隔t(),结合空气中超声波传播
3 q9 _5 K4 k3 Y3 c4 a9 y( Q
速度v(n/s),根据运动定律,我们便得到所要测量的目标距离
S(m) :S=Vt/2
这就是渡越时间测距法(TOF , time of flight)。其中,超声波在
空气中传播的速度V和空气的温度有关。
( F/ U- l8 U# j: g4 @' c2.2温度补偿
3 d2 V+ |3 H' I: D1 n4 l在理想气体中,超声波传播速度可表述为: V=，
其中，1为气体的比热值, R为气体常数, T为热力学温
" {0 T0 z+ B4 O# j1 _& c9 H度，μ为气体的分子量。由(2)可知:声速与热力学温度的平方根
3 F3 `6 H$ O4 ^& }成正比,温度越高声速越大。实验表明，实用的温度值经验公式
为:
! H' g* ]  i5 o8 t对于T值,可使用温度传感器采集并送给单片机进行
计算。
: j, d9 l) @4 C1 @+ N" A. J了ISD1420 语音芯片
/ N  c5 I) }( n- ?7 O- a" i测量仪器的语音输出是一种很直观、易懂的形式,人机界.
4 h4 x. Q% @4 k* G% l面友好。系统采用ISD公司的ISD1420语音芯片，该芯片具有
以下特点:外围元件简单,仅需要少量的电阻、电容元件、麦克风
就可以完成一个完整的录放系统;模拟信息存储,重放音质量
' ?8 p2 r$ C0 F$ D好;功耗低,可扩充级联;可持续放音,也可分段录放,最大可分
; r7 |" Q; W; H3 P1 J( i3 ]& g段数160段;录音次数达十万次。芯片采用CMOS技术,内含震
) H2 z4 J0 s( R荡器、话简前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波
# x. {2 x" b, y1 T3 p0 ?7 j6 S器、扬声器驱动及EEPROM阵列。ISD1420 语音芯片内部结构
如图1所示。
& z# e5 C& {+ EISD1420可持续放音20秒，则最小分段时间为20s/160段
: q2 ^. R; t( s=0.125s,-一个最小分段占用-一个存储单元;系统设计时,可在测
5 }$ w& a9 ^6 B0 f量前根据需要，由MIC录入普通话提示语音，如:“测量距离
为”、“0~9”10个数字,“点”、“米”等,一般每个字符可设置
录音时间为0.5秒，较长的词组或句子可适时延长录音时间。
+ g9 g& i: w% S测量结束后,例如LED显示测量结果为6.80米,我们便会紧接

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超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远