基于超聲波的語(yǔ)音測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

摘 要：系統(tǒng)以單片機(jī)AT89S52為控制核心，采用語(yǔ)音芯片ISD2590構(gòu)成語(yǔ)音電路，實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果語(yǔ)音化。超聲波傳播的速度隨溫度的變化而變化。為了準(zhǔn)確計(jì)算出超聲波的實(shí)時(shí)傳播速度，系統(tǒng)采用DS18B20溫度傳感器測(cè)量環(huán)境溫度。為了提高遠(yuǎn)距離測(cè)量的精度，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了AGC電路。為了減小偶然因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響，系統(tǒng)每次測(cè)距都連續(xù)測(cè)量10次，取平均值作為測(cè)量的結(jié)果。實(shí)踐證明：該測(cè)距儀具有較高的測(cè)量精度和很高的推廣價(jià)值。

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關(guān)鍵詞：?jiǎn)纹瑱C(jī);測(cè)距儀;超聲波;AGC;ISD2590

中圖分類號(hào)：TN912.3 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：B

文章編號(hào)：1004-373X(2008)11-127-03

Design of Voice Range Finder Based on Ultrasonic

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XIAO Yangen

(Zhuzhou Professional Technology College，Zhuzhou，412001，China)

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Abstract：Single chip microcomputer AT89S52 is control core in the system，and the voice circuit of the system is composed of voice chip ISD2590，which realizes that the measuring results are calculated in real-time.There is the propagation velocity of the ultrasonic varying with the environmental temperature.In order to accurately calculate the real-time propagation velocity of the ultrasonic，the system measures the environmental temperature by the DS18B20 temperature sensor.To increase the accuracy in measuring farther distance，automatic gain control circuits have been designed.To reduce the accidental factors influencing the measuring results，the average value of every ten measurements is taken as the accurate result.The practice result shows that the range finder has high measuring precision and very high generalizing value.

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Keywords：single chip microcomputer;range finder;ultrasonic;AGC;ISD2590

1 引 言

超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于非接觸測(cè)量領(lǐng)域。超聲波測(cè)距往往比較迅速、方便，并且在測(cè)量精度方面也能達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求。超聲波測(cè)距的原理是：測(cè)取超聲波從發(fā)射地至目的地傳輸所經(jīng)過(guò)的時(shí)間T，通過(guò)下式求出距離S：



S=CT/2



式中，C為超聲波傳播的速度。超聲波傳播的速度與環(huán)境溫度t有關(guān)，其關(guān)系可由下式來(lái)描述：



C=331.5+0.607t



從上式可知，超聲波傳播的速度隨溫度的升高而變快，要精確的測(cè)量某兩個(gè)物體之間的距離，需檢測(cè)當(dāng)時(shí)的環(huán)境溫度。超聲波在空氣中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，其幅度按指數(shù)形式衰減。當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí)，接收到的回波脈沖很微弱，為了使測(cè)量的精度不下降，系統(tǒng)設(shè)計(jì)了AGC電路。語(yǔ)音采用“直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)”分段記錄在ISD2590的E2PROM存儲(chǔ)器中。當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算出測(cè)量結(jié)果時(shí)，通過(guò)軟件查表的方式查出與測(cè)量值相對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音首地址，送入ISD2590的地址輸入端，ISD2590輸出的語(yǔ)音信號(hào)送入LM386功率放大，最后由揚(yáng)聲器播報(bào)測(cè)量值。在測(cè)量時(shí)有許多不可避免的偶然因素，系統(tǒng)在軟件上設(shè)置每次測(cè)距都連續(xù)測(cè)量10次，取平均值作為測(cè)量的結(jié)果。

2 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖及工作原理 

該系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框圖

系統(tǒng)的工作原理：?jiǎn)纹瑱C(jī)AT89S52的P2.0口輸出40 kHz的方波信號(hào)，經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，發(fā)出同頻率的超聲波，發(fā)出第一個(gè)脈沖的同時(shí)計(jì)數(shù)器開(kāi)始計(jì)數(shù)。當(dāng)反射回的超聲波經(jīng)接收電路形成中斷信號(hào)送入單片機(jī)的INT0口時(shí)，INT0產(chǎn)生中斷，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，從而可得到超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔T。DS18B20采集環(huán)境溫度，最后由揚(yáng)聲器播報(bào)測(cè)量值。

3 系統(tǒng)硬件的設(shè)計(jì)

3.1 發(fā)射電路

發(fā)射電路的主要作用是發(fā)射40 kHz的超聲波，電路如圖2所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路

單片機(jī)采用定時(shí)器溢出中斷的方式產(chǎn)生40 kHz的對(duì)稱方波信號(hào)?？紤]到測(cè)量 “盲區(qū)”的問(wèn)題，每次測(cè)距發(fā)射8個(gè)方波。方波信號(hào)從P2.0口輸出經(jīng)U1隔離電路后送入U(xiǎn)2A，U2B組成的功率放大電路，方波信號(hào)經(jīng)功率放大后驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，發(fā)出同頻率的超聲波。

3.2 接收電路

接收電路主要作用是形成中斷信號(hào)，電路如圖3所示。

3.2.1 前置放大、AGC電路

超聲波從發(fā)射到接收的時(shí)間間隔T的測(cè)量精度取決于對(duì)脈沖回波前沿的檢測(cè)精度。當(dāng)測(cè)量距離較近時(shí)，回波脈沖的幅度大，對(duì)回波脈沖前沿的檢測(cè)誤差較小；當(dāng)超聲當(dāng)測(cè)量距離較遠(yuǎn)時(shí)，回波脈沖的幅度很小，對(duì)回波脈沖前沿的檢測(cè)誤差較大。為此本系統(tǒng)設(shè)計(jì)了具有AGC功能的前置放大電路，使不同距離的回波脈沖到達(dá)比較器都有基本相同的幅度，解決了由于回波脈沖幅度過(guò)小而導(dǎo)致的檢測(cè)誤差加大的問(wèn)題。AGC電路的基本工作原理是：當(dāng)系統(tǒng)測(cè)量的距離超過(guò)2 m時(shí)，定時(shí)器T2產(chǎn)生溢出中斷，單片機(jī)P2.2為高，CD4066內(nèi)部的開(kāi)關(guān)閉合，電路的放大倍數(shù)變大；當(dāng)測(cè)量的距離超過(guò)4 m時(shí)，定時(shí)器T2再次產(chǎn)生溢出中斷，單片機(jī)P2.2，P2.3都為高，此時(shí)電路的放大倍數(shù)變到最大。

3.2.2 帶通濾波放大、二倍壓檢波電路

前置放大器輸出的信號(hào)送入U(xiǎn)5A組成的中心頻率為40 kHz的二階有源帶通濾波器，抑制其他的干擾信號(hào)。二階有源帶通濾波器輸出的信號(hào)送入U(xiǎn)5B，U6A和U6B組成的差分放大電路，該電路有較高的差模增益和很高的共模抑制比，同時(shí)還有較小的漂移電壓。差分放大后的信號(hào)送入二倍壓檢波電路，采用二倍壓檢波可以提高檢波輸出電壓。

3.2.3 中斷信號(hào)形成電路

檢波后的信號(hào)送入U(xiǎn)7電壓比較器，為了取得比較好的抗干擾效果，將P2.1口的電壓通過(guò)D3送入比較器的反相端，P2.1口的電壓在發(fā)射超聲波時(shí)為高電位，接收超聲波時(shí)為低電位，精心設(shè)計(jì)電壓比較器的同相端電壓，可有效地抑制發(fā)射探頭或其他地方產(chǎn)生的干擾信號(hào)。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)的抗干擾能力，將比較器輸出的電壓和P2.1口的電壓送入D觸發(fā)器，從而可以確保單片機(jī)的INT0中斷不受干擾信號(hào)的影響。

3.3 語(yǔ)音電路

語(yǔ)音電路的主要作用是播報(bào)和錄取語(yǔ)音，電路如圖4所示。

本系統(tǒng)語(yǔ)音電路采用ISD2590專用語(yǔ)音芯片，ISD2590語(yǔ)音芯片采用了ISD公司的專利“直接模擬存儲(chǔ)技術(shù)”，把模擬數(shù)據(jù)成功存入半導(dǎo)體存儲(chǔ)器中。這種突破性的E2PROM存儲(chǔ)方法可以將模擬數(shù)據(jù)直接寫(xiě)入單個(gè)存儲(chǔ)單元，而不需要A／D或D／A轉(zhuǎn)換。ISD2590有10個(gè)地址輸入端A0～A9，尋址能力可達(dá)1 024位，地址空間為0～1 023。其分配情況是：地址0～599作為分段用，地址600～767未使用，地址768～1023為工作模式選擇。ISD2590語(yǔ)音芯片將480 kB的E2PROM 分為600個(gè)信息段，每段800 B，每段信息作為一個(gè)整體單位進(jìn)行尋址和控制。為了實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音報(bào)數(shù)，需將語(yǔ)音元素 （“0～9”、“點(diǎn)”、“米”、“距離為”、“測(cè)量超出范圍”）錄入ISD2590語(yǔ)音芯片中。在沒(méi)有專業(yè)的ISD語(yǔ)音開(kāi)發(fā)設(shè)備的情況下，可使用本文設(shè)計(jì)的按鍵式語(yǔ)音錄音電路，分段錄取語(yǔ)音。ISD2590的地址分辨率為0.15 s，利用地址分辨率可分配各個(gè)語(yǔ)音段的首地址。本系統(tǒng)將語(yǔ)音分成14段錄入ISD2590語(yǔ)音芯片中，各段具體的首地址如表1所示。

圖3 超聲波接收電路

圖4 語(yǔ)音電路

表1 首地址分配表

按鍵式語(yǔ)音錄音的過(guò)程如下：

(1) 節(jié)電控制PD 端置為低電位，使ISD2590正常工作。

(2) 錄放控制P／R端置為低電位，使ISD2590為錄音狀態(tài)。

(3) 查詢錄音控制鍵S3，若按下錄音控制鍵S3，段號(hào)為0的首地址送ISD2590的地址輸入端。

(4) 片選CE端置為低電位，ISD2590開(kāi)始錄音。

(5) 查詢錄音控制鍵S3，若錄音控制鍵S3復(fù)位，片選CE端置高電位，ISD2590停止錄音。

(6) 查詢錄音控制鍵S3，若再次按下錄音控制鍵S3，段號(hào)為1的首地址送給ISD2590的地址輸入端。

同樣的方法可錄完所有的語(yǔ)音。編程時(shí)將每一段語(yǔ)音的首地址集合起來(lái)，編成地址表存放到AT89S52中。當(dāng)系統(tǒng)計(jì)算出測(cè)量結(jié)果時(shí)，通過(guò)軟件查表的方式查出與測(cè)量值相對(duì)應(yīng)的語(yǔ)音首地址，送入ISD2590的地址輸入端。系統(tǒng)采用查詢EOM電平的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音放音，語(yǔ)音放音的過(guò)程如下：

(1) 節(jié)電控制PD 端置為低電平，使ISD2590正常工作。

(2) 錄放控制P／R端置高，使ISD2590為放音狀態(tài)。

(3) 第一個(gè)語(yǔ)音的首地址送ISD2590的地址輸入端。

(4) 片選CE端加一個(gè)的低脈沖，芯片就會(huì)從指定的起始地址播放語(yǔ)音，遇到內(nèi)部的信息結(jié)束標(biāo)志EOM，且EOM負(fù)脈沖結(jié)束時(shí)停止放音。

(5) 查詢到EOM脈沖的上升沿后，節(jié)電控制PD端置高。

(6) 延時(shí)TB后，節(jié)電控制PD端置為低電平，錄放控制P／R端置高，第二個(gè)語(yǔ)音的首地址送ISD2590的地址輸入端。

同樣的方法可播放完所有的語(yǔ)音。語(yǔ)音電信號(hào)從ISD2590的SP+、SP-輸出后送入LM386放大，最后由揚(yáng)聲器播報(bào)測(cè)量值。

3.4 溫度測(cè)量電路

溫度測(cè)量電路的主要作用是測(cè)量實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度，以便系統(tǒng)準(zhǔn)確計(jì)算出超聲波在測(cè)量時(shí)的實(shí)際傳播速度，從而提高系統(tǒng)的測(cè)量精度。本系統(tǒng)的溫度測(cè)量采用美國(guó)DALLAS 公司的DS18B20數(shù)字式溫度計(jì)。DS18B20采用單總線接口，只有一根信號(hào)線與CPU 連接。溫度值就以16位帶符號(hào)擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲(chǔ)在高速暫存存儲(chǔ)器的第1，2字節(jié)。單片機(jī)通過(guò)單總線接口可讀到該數(shù)據(jù)，通過(guò)計(jì)算可得到實(shí)時(shí)的環(huán)境溫度值。

4 系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)的軟件流程圖如圖5所示。

圖5 系統(tǒng)的軟件流程圖

5 結(jié) 語(yǔ)

本超聲波語(yǔ)音測(cè)距儀有三個(gè)特點(diǎn)：

(1) 系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了測(cè)量結(jié)果語(yǔ)音化，擴(kuò)大了超聲波測(cè)距儀的應(yīng)用范圍。

(2) 系統(tǒng)設(shè)計(jì)了AGC電路，當(dāng)被測(cè)的距離較遠(yuǎn)時(shí)，系統(tǒng)的測(cè)量誤差仍然比較小。

(3) 系統(tǒng)在軟件上設(shè)置每次測(cè)距都連續(xù)測(cè)量10次，然后取平均值作為測(cè)量的結(jié)果，減小了偶然因素對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

參 考 文 獻(xiàn)

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［4］卜英勇，王紀(jì)嬋，趙海鳴，等.基于單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2007(3)：66-68.

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作者簡(jiǎn)介 肖炎根 男，1973年出生，講師，株洲職業(yè)技術(shù)學(xué)院電子工程系，應(yīng)用電子技術(shù)專業(yè)負(fù)責(zé)人。主要研究電子產(chǎn)品的設(shè)計(jì)。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請(qǐng)以PDF格式閱讀原文。