ATmega16的語(yǔ)音型超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)＊

何乃味

（柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院，柳州 545005）

何乃味（講師），研究方向?yàn)殡娮蛹夹g(shù)、嵌入式系統(tǒng)應(yīng)用。

引 言

用超聲波測(cè)量距離是一種非常實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，廣泛應(yīng)用于物料液面測(cè)量、機(jī)器人定位、汽車防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距方法是用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)外部中斷來(lái)測(cè)量超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射到被接收探頭接收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間t，再根據(jù)超聲波測(cè)量距離的公式［1］S＝vt／2進(jìn)行計(jì)算，得到距離S。這種方法除了多占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷源外，還會(huì)使測(cè)量時(shí)間t的誤差增大，降低測(cè)量精度。本文介紹了一種用AVR單片機(jī)ATmega16作為核心控制器的距離儀，該測(cè)距儀利用AT－mega16輸入捕獲功能實(shí)現(xiàn)時(shí)間t的精確測(cè)量；用溫度傳感器DS18B20檢測(cè)周圍環(huán)境的溫度，補(bǔ)償溫度變化對(duì)超聲波傳播速度的影響，提高測(cè)量精度；用語(yǔ)音芯片ISD4004實(shí)現(xiàn)測(cè)距結(jié)果等語(yǔ)音信息的播報(bào)功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案

測(cè)距儀的總體設(shè)計(jì)方案［2］如圖1所示。系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmega16作為核心控制器，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊電路的工作。超聲波發(fā)射模塊發(fā)射40kHz的超聲波信號(hào)，超聲波接收模塊對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、比較，形成下降沿。溫度傳感器DS18B20負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，補(bǔ)償溫度變化對(duì)超聲波傳播速度的影響。顯示電路采用YM12864中文液晶顯示器，顯示當(dāng)前溫度和距離等信息。語(yǔ)音電路采用ISD4004語(yǔ)音芯片，該芯片采用SPI通信接口，可以方便地與ATmega16單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)播報(bào)測(cè)量距離等語(yǔ)音信息。

圖1 測(cè)距儀總體設(shè)計(jì)方案

2 硬件電路

2.1 超聲波發(fā)射模塊

超聲波發(fā)射模塊電路［3］如圖2所示。由ATmega16的PB3發(fā)送10μs的高電平至SN8P2501B的P2.2，當(dāng)P2.2檢測(cè)到高電平時(shí)，從P2.3輸出低電平，三極管Q1飽和導(dǎo)通，MAX3232接通電源，SN8P2501B內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生8個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，由P2.4和P2.5推挽輸出，經(jīng)MAX3232升壓后推動(dòng)超聲波換能器發(fā)送超聲波信號(hào)。然后P2.3輸出高電平，三極管Q1截止，關(guān)斷MAX3232的電源，停止發(fā)射超聲波信號(hào)。

圖2 超聲波發(fā)射模塊電路

2.2 超聲波接收模塊

超聲波接收模塊電路［4］如圖3所示。從超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波信號(hào)遇障礙物后返回，被接收探頭接收并轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，經(jīng)集成運(yùn)算放大器TL074放大、濾波、比較后，產(chǎn)生下降沿，觸發(fā)SN8P2501B的P2.2引腳產(chǎn)生中斷，在中斷程序中將P2.1置高電平。高電平持續(xù)的時(shí)間即為超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射遇到障礙物后返回，并被接收探頭接收所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。

圖3 超聲波接收模塊電路

2.3 語(yǔ)音播報(bào)模塊

語(yǔ)音播報(bào)模塊電路［5］如圖4所示。由集成穩(wěn)壓芯片AMS1117－3.3構(gòu)成的穩(wěn)壓電路輸出3.3V電壓供給語(yǔ)音芯片ISD4004。ISD4004的語(yǔ)音輸入由麥克風(fēng)MIC輸入或由插頭輸入，插入插頭時(shí)麥克風(fēng)輸入電路自動(dòng)斷開(kāi)，此時(shí)可以與電腦連接進(jìn)行錄音。放音時(shí)，音頻輸出經(jīng)LM386放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行放音。ATmega16通過(guò)SPI接口向ISD4004發(fā)送錄音地址和錄音命令進(jìn)行錄音，發(fā)送放音地址和放音命令進(jìn)行放音。中文液晶YM12864和溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)ATmega16的連接較為簡(jiǎn)單，在此不作詳述。

3 軟件設(shè)計(jì)

3.1 超聲波測(cè)距程序設(shè)計(jì)

超聲波測(cè)量距離的表達(dá)式［4］為 S＝［（331.4＋0.607T）×t］／2。其中，T為環(huán)境溫度，t為從發(fā)射超聲波信號(hào)到接收到回波信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。由此可見(jiàn)，測(cè)量距離的關(guān)鍵是盡可能精確地測(cè)出時(shí)間t。測(cè)量時(shí)間t常用的方法是用一個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和一個(gè)外部中斷來(lái)實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器用來(lái)計(jì)時(shí)，外部中斷設(shè)置成電平觸發(fā)方式，用于檢測(cè)一個(gè)脈沖的上升沿和下降沿，當(dāng)ATmega16外部中斷引腳輸入電平由低變高時(shí)觸發(fā)第一次中斷，讀取時(shí)間值t1，然后將外部中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)中斷，等到ATmega16外部中斷引腳輸入的電平由高變低時(shí)，再次觸發(fā)中斷，讀取時(shí)間值t2，然后將外部中斷設(shè)置為上升沿觸發(fā)中斷，兩次時(shí)間值之差t＝t2－t1即為脈沖的寬度。這種方法除了多占用ATmega16的一個(gè)外部中斷源外，讀取的時(shí)間值精度還容易受到中斷響應(yīng)時(shí)間的影響，造成測(cè)量距離誤差增大。單片機(jī)ATmega16具有一路輸入捕獲功能，配合內(nèi)部的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T／C1，可以非常方便和精確地測(cè)出一個(gè)脈沖從上升沿到下降沿間的時(shí)間。方法是先將T／C1設(shè)置為輸入捕獲模式、上升沿捕獲，并開(kāi)啟全局中斷；當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波信號(hào)遇到障礙物后返回，被接收探頭接收時(shí)，ATmega16的PD6（ICP1）引腳由低電平變高電平，觸發(fā)第一次輸入捕獲，將T／C1的TCNT1中的計(jì)數(shù)值自動(dòng)寫入輸入捕獲寄存器ICR1，在程序中將ICR1的值保存在變量t1中，然后將T／C1設(shè)置為下降沿捕獲；當(dāng)接收到的信號(hào)下降沿到來(lái)時(shí)，再一次觸發(fā)輸入捕獲，將ICR1的值保存在變量t2中，然后將TCNT1中的值清0，并將T／C1設(shè)置為上升沿捕獲。假設(shè)單片機(jī)ATmega16所使用的晶振為8MHz，采用1／8分頻，則兩次捕獲發(fā)生的時(shí)間之差t＝t2－t1（μs）即為發(fā)射超聲波信號(hào)至接收到回波信號(hào)所經(jīng)過(guò)的時(shí)間。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T／C1捕獲中斷程序如下：

圖4 語(yǔ)音播報(bào)模塊電路

3.2 語(yǔ)音播報(bào)程序設(shè)計(jì)

語(yǔ)音播報(bào)程序主要分為錄音和放音程序。由單片機(jī)ATmega16的SPI端口按照ISD4004的時(shí)序要求發(fā)送錄／放音地址和命令。錄音程序?qū)⑿枰浿频恼Z(yǔ)音元素按照事先分配好的錄音地址分段錄制到IDS4004中。把錄音起始地址存放在數(shù)組當(dāng)中，在放音程序中根據(jù)要播報(bào)的語(yǔ)音信息查找到相應(yīng)語(yǔ)音元素的地址，發(fā)送放音命令，即可清晰流暢地播報(bào)出語(yǔ)音信息。錄音和放音的參考子程序如下：

4 測(cè)試結(jié)果與分析

測(cè)試條件［6］為：在環(huán)境溫度為29℃，超聲波發(fā)射探頭與接收探頭離地面30cm，障礙物為0.6cm×0.5cm垂直于地面放置的木板，用鋼卷尺測(cè)量實(shí)際距離，測(cè)試結(jié)果如表1所列。

結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距儀充分利用ATmega 16的輸入捕捉功能，實(shí)現(xiàn)了2cm～4.2m的距離測(cè)量，通過(guò)ATmega 16的硬件SPI接口控制語(yǔ)音芯片ISD4004實(shí)時(shí)播報(bào)測(cè)量距離等語(yǔ)音信息。多次測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)距儀具有工作穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好、測(cè)量精度高、語(yǔ)音播報(bào)流暢清晰等特點(diǎn)。可應(yīng)用于物料液位測(cè)量、汽車防撞系統(tǒng)、機(jī)器人定位等場(chǎng)合，在非接觸測(cè)量方面具有很好的應(yīng)用前景。

表1 距離測(cè)試結(jié)果

［1］李翠花，梁德民，周曉美.高精度的超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)［J］.合肥學(xué)院學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2012，22（1）：41－44.

［2］張禾，李俊蘭，葛亮，等.一種高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.自動(dòng)化儀表，2012（2）：62－64.

［3］苑潔，常太華.基于STM32單片機(jī)的高精度超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)［J］.電子設(shè)計(jì)工程，2011，19（15），76－78.

［4］程維東.基于P89LPC932超聲波測(cè)距儀［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2011，34（13）：136－138.

［5］周志勇，徐家愷，劉兵.ISD4004語(yǔ)音器件信息快進(jìn)功能的巧妙應(yīng)用［J］.微處理機(jī)，2007（5）：104－106.

［6］李云龍，卜雄洙，趙文，等.新型嵌入式超聲波測(cè)距系統(tǒng)［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012（1）：97－99.