一种具有双重输出功能的超声波测距系统

BillScot2

5 m3 k' j6 @3 }& {8 ]5 w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
! v9 i& @; c! p+ ]- J# X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
5 p0 |" b* s5 K4 @# ~6 H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。
# I" m/ s  M: S5 o. \- l关键词:超声波;测距传感器;AT89C2051单片机;ISD1420芯片;自动语音报数
) W% S  W+ |! o6 \1引言
5 r( D' P9 E3 P& x( l由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距
) M" B+ z% P( z6 c7 h. D; c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
" c& j* ~8 R$ B- ~/ q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
" b: y/ \6 a4 D8 RLED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。
1 {* O5 Z( P, g) n+ I$ l2超声波传感器和测距原理
2.1测量原理
' K  a/ N0 H3 U总体上,超声波发生器分为两类:-类是利用电器方式产生
, _5 b$ H" L9 W$ f- {3 n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
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
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.
+ z$ `. r" S' w4 f设计中,将超声波发送器和接收器装在--起,合称为超声波传
感器。其发射频率不低于20KHz。
传感器发出40KHz超声波,但并不是单独发射一个脉冲，
) s2 |3 `0 v6 N; T2 s5 v) T而是一串的几个脉冲,并对
2 l( S8 n! Q( ?* [, r测量逻辑电路提供--个短脉冲,开始计时,超声波接收器
接收到遇到障碍而返回的脉冲串1
8 U6 l2 ?9 w2 T9 f前端,同样也对测量逻辑电路提供一个短脉冲,计时结束，
* N8 T7 V) b+ D( \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
+ J! C6 m! L0 L* U. q
; ^; ~9 ?) \5 s+ D( f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
2 x& W/ k6 E1 d6 J8 D6 r' `1 lS(m) :S=Vt/2
0 q5 [; d  }0 `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。
2.2温度补偿
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
, v. {5 ]6 b1 a( r$ k  a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
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
/ q. _( O3 R/ @" c: s" V为:
对于T值,可使用温度传感器采集并送给单片机进行
计算。
了ISD1420 语音芯片
0 _) d( ^, f7 i" x测量仪器的语音输出是一种很直观、易懂的形式,人机界.
: b5 l7 x" L5 h! J* ~4 h  X3 `( j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
好;功耗低,可扩充级联;可持续放音,也可分段录放,最大可分
段数160段;录音次数达十万次。芯片采用CMOS技术,内含震
& G; L) [/ E3 S; p3 \荡器、话简前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波
% z2 X& ~5 s6 \! \" u5 g器、扬声器驱动及EEPROM阵列。ISD1420 语音芯片内部结构
如图1所示。
ISD1420可持续放音20秒，则最小分段时间为20s/160段
9 ~/ x. x3 T6 Y) |/ Q) I5 u=0.125s,-一个最小分段占用-一个存储单元;系统设计时,可在测
1 T" Y5 Y4 R8 k; V3 O- h! s量前根据需要，由MIC录入普通话提示语音，如:“测量距离
3 p6 w# |) O# [$ G/ i' f为”、“0~9”10个数字,“点”、“米”等,一般每个字符可设置
! Y! Z/ l6 N/ E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。
3 P* d! m; k# K测量结束后,例如LED显示测量结果为6.80米,我们便会紧接
) I3 b. A- k2 g# W7 |; z: @, `
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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