超聲波導盲系統硬件電路設計

謝運陶

摘 要： 中國是世界上盲人數量最多的國家，盲人生活在黑暗的世界中，給工作、生活、社交活動帶來莫大的困難，如何安全行走是盲人生活中最大的問題。為了解決這一問題，作者在研究超聲波導盲系統工作原理的基礎上，采用C8051F340單片機作為控制器，對導盲系統硬件電路進行設計，解決系統硬件電路問題。

關鍵詞： 導盲儀 超聲波傳感器 電路設計

超聲波導盲系統硬件電路部分主要包括單片機電路、超聲波測距電路、溫度補償電路、報警電路和外圍其他電路。系統硬件電路總體結構如圖1所示。

各模塊功能介紹如下：

超聲波發射電路：實現超聲波信號的發射，單片機不斷發射出超聲波信號，以便實時檢測前方是否有障礙物。

超聲波接收電路：實現超聲波信號的接收，經過濾波和功率放大后送入單片機進行處理。

溫度傳感器電路：檢測當前溫度環境下的溫度，以便將溫度傳給單片機，進行溫度補償，將測距溫差降低到最低。

語音報警電路：根據需要，發出報警信號，通知使用者前方出現障礙物等各種情況。

一、超聲波發射電路

超聲波導盲系統發射電路采用LM555/LM555C系列時基電路，LM555/LM555C作為一款經典的集成電路，有著比較典型的特性：靈活性強，可以應用到非常多的領域中，通常被用來產生脈沖信號和用作時間延遲。在各種各樣的電子產品中均可用到。

555時基電路包括兩種：TTL型和CMOS型，上述介紹的LM555/LM555C屬于前者，TTL型時基電路的特點是輸出功率比較大，可以驅動的電流達到200mA。相比較于TTL型，CMOS型的時基電路輸出功率比較低，但功耗低，電源電壓要求也不如TTL型高，輸入阻抗非常高，但是輸出的驅動電流不足TTL型的十分之一，通常不超過十毫安。

通常把LM555時基電路等同為R-S觸發器，相對于R-S觸發器的輸入端，LM555的閾值端等同于置0端R，高電平有效。觸發端（TR）等同于置位端S，低電平使能。其輸出端（OUT）就等同于觸發器的輸出端Q。放電端（DIS）可看成由內部放電開關控制的一個接點，放電開關由觸發器的反Q端控制：反Q=1時DIS端接地；反Q=0時DIS端懸空。復位端R，控制電壓端R，電源端VCC，接地端GND功能不變，是相比于R-S觸發器多出的端口。

LM555定時器的主要作用是結合電阻和電容構成充放電電路。利用兩個比較器，通過不斷檢測電容器上電壓值的大小，決定輸出電平的高低和放電導管的開與閉。使用這個原理和結合方式可以構成一系列功能電路，包括延時電路、單穩態觸發器、多諧振蕩器、施密特觸發器等脈沖產生或波形變換電路。

利用555時基電路振蕩產生40kHz的超聲波信號，使之與換能器的40kHz固有頻率一致。12V電源能使555時基具有足夠驅動能力。P0.1為超聲波發射控制信號，由單片機控制。發射電路如圖2所示。

二、超聲波接收電路

本系統采用LM567鎖相環電路作為音調譯碼器，LM567電路由三部分組成：電流控制振蕩器、鑒相器鎖和反饋濾波器。該音調譯碼器中，存在一個鎖相環路和一個晶體管開關，在該音調譯碼器上連接上設定好的音頻信號時，便會產生對應的接地方波。該電路由I與Q檢波器組成，通過電壓驅動振蕩器確定譯碼器的頻率。用外接元件獨立設定中心頻率帶寬和輸出延遲。

LM567鎖相環電路可以實現震蕩、調制、解調、遙控編碼和譯碼電路。如電力線載波通信，對講機亞音頻譯碼，遙控等。

LM567的工作原理類似于低電壓的電源開關，如果其接收到的音頻信號符合其要求，在其要求的頻率范圍之內，便可將其開關連通。除此之外，LM567也能用到可變形發生器或是通用鎖相環電路中。在LM567作為音頻信號開關使用時，所能檢測的中心頻率在0.1至500KHZ范圍間，對應的檢測帶寬可以設定在中心頻率14%內。同時，音頻信號開關的啟動時間可以借助外部電阻和電容，其可調范圍自由設定。

LM567的引腳圖如圖3所示。

管腳功能描述：

1、2腳通常分別通過一個電容器接地，形成輸出濾波網絡和環路單級低通濾波網絡。2腳所接電容決定鎖相環路的捕捉帶寬：電容值越大，環路帶寬越窄。1腳所接電容的容量應至少是2腳電容的2倍。3腳是輸入端，要求輸入信號≥25mV。8腳是邏輯輸出端，其內部是一個集電極開路的三極管，允許最大灌電流為100mA。

LM567電氣參數：

LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態工作電流約8mA。

LM567芯片使用：LM567為通用音調譯碼器，主要用于外界接電阻20比1范圍，邏輯兼容輸出具有吸收100mA電流能力。

超聲波發射電路發出的超聲波信號經過障礙物發射回來后轉變成功率極小的交流信號，該交流信號接入運放LM358，經過電路放大后，接入音頻譯碼器中的LM567，LM567因為具有選頻的功能，其內部的壓控振蕩器的中心頻率，當LM567輸入信號的電壓值超過25mV時，輸出端信號由高電平跳變為低電平，將這個跳變信號作為中斷信號送入單片機中，啟動中斷服務子程序。接收電路如圖5所示。

三、限幅保護電路

在本系統中，探測電路的驅動電壓比較高，有可能造成后級電路中放大器出現過載的情況，人為控制好高電平的振幅，并且避免寄生調幅產生的干擾，需要對超聲波的發射信號做幅值保護。在限幅保護模塊中，使用兩個IN4148穩壓二極管組成雙向限幅保護電路，1N4148開關二極管。主要在儀器儀表、電子設備的開關電路、檢波電路、高頻和脈沖整流電路及自動控制電路中，如圖6所示。

四、溫度補償電路

數字式溫度傳感器SHT10由兩個電容式聚合體測濕元件和一個隙式測溫元件組成，并與一個14位A/D轉換器和一個2-wire數字接口在單芯片中無縫結合，直接與單片機相連，該產品具有功耗低，反應快，抗干擾能力強等優點。endprint

單片機與SHT10接口電路部分：SHT10的SCK口和DATA口分別與單片機的P0.2口和P0.3口連接，DATA端口需要一個外部的4.7kΩ上拉電阻將信號提拉至高電平，只有當DATA為高電平時，SHT10才開始工作，如圖7所示。

五、語音報警電路

本系統語音報警器采用ISD1420語音芯片，ISD1420芯片型號的最后2位數字表示語音錄放時間的長度。這種芯片錄放音時間最長20s；需要的外接電路很簡單，必要的電阻、電容與麥克風結合在一起便可組成一個功能齊全的語音錄放系統；該芯片存儲的是模擬信息，模擬信息可以保證聲音質量，還可以達到一定的混響效果；待機時低功耗（僅0.5μA），典型放音電流15mA，可擴充級聯；可持續放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段數160段；錄放次數達10萬次；系統斷電時，音頻信號可以保存，不會丟失，不需要外在電源維持，信息的存放時間可以高達100年；使用簡便，不需要配套專用的音頻處理器；使用低電壓或是副跳變沿方式觸發錄音，供電方式采用單極性電源，供電電壓通常采用+5V。引腳圖如圖8所示。

ISD1420各管腳功能簡述如下：

A0～A7：地址輸入端或控制命令輸入端；當A7A6同時為高電平時，A4-A0

為控制命令，否則，A7-A0為地址；

VCCD：數字電路電源；

VCCA：模擬電路電源，+5V；

VSSD：數字信號地線；

VSSA：模擬信號地線；

SP+，SP-：音頻信號輸出端，連接8-16揚聲器；

XCLK：時鐘控制端。

ANAIN：模擬信號輸入端。

ANAOUT：模擬信號輸出端；

AGC：自動增益控制，調整芯片內部前置放大器增益，使錄入信號不失真。

MIC：話筒輸入端，通過電容耦合，連接駐極體話筒。

MICREF：話筒參考輸入端。

PLAYE：放音控制脈沖觸發端，該端輸入由高電平向低電平跳變的下降沿時，芯片進入放音周期；

PLAYL：放音控制電平觸發端，當該端為低電平時，芯片進入放音周期；當該端為高電平時，停止放音。

REC：錄音控制端，當該為低電平時，芯片進入錄音狀態，錄音期間該端必須保持低電平。

RECLED：錄音顯示端，該端接發光二極管，在錄音時做錄音指示燈。

NC：空腳。

ISD1420系列語音集成電路由內部時鐘電路、自動增益控制電路、前置放大電路濾波器、差動功率放大器、電源電路、存儲器EEPROM、地址譯碼電路、存儲控制電路等組成，其內部電路邏輯結構框圖如圖9所示。

語音報警芯片采用美國ISD生產的新型優質單片機錄放音電路ISD1420。該芯片采用了直接模擬量存儲技術DAST。語音信號不經過轉換直接以原來狀態存儲到內部存儲器。可以提供真實自然的音樂、語音、聲音等。音質不會受到影響，同時不需要專用語音開發工具，成本低廉。

語音報警電路圖如圖9所示。endprint

單片機與SHT10接口電路部分：SHT10的SCK口和DATA口分別與單片機的P0.2口和P0.3口連接，DATA端口需要一個外部的4.7kΩ上拉電阻將信號提拉至高電平，只有當DATA為高電平時，SHT10才開始工作，如圖7所示。

五、語音報警電路

本系統語音報警器采用ISD1420語音芯片，ISD1420芯片型號的最后2位數字表示語音錄放時間的長度。這種芯片錄放音時間最長20s；需要的外接電路很簡單，必要的電阻、電容與麥克風結合在一起便可組成一個功能齊全的語音錄放系統；該芯片存儲的是模擬信息，模擬信息可以保證聲音質量，還可以達到一定的混響效果；待機時低功耗（僅0.5μA），典型放音電流15mA，可擴充級聯；可持續放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段數160段；錄放次數達10萬次；系統斷電時，音頻信號可以保存，不會丟失，不需要外在電源維持，信息的存放時間可以高達100年；使用簡便，不需要配套專用的音頻處理器；使用低電壓或是副跳變沿方式觸發錄音，供電方式采用單極性電源，供電電壓通常采用+5V。引腳圖如圖8所示。

ISD1420各管腳功能簡述如下：

A0～A7：地址輸入端或控制命令輸入端；當A7A6同時為高電平時，A4-A0

為控制命令，否則，A7-A0為地址；

VCCD：數字電路電源；

VCCA：模擬電路電源，+5V；

VSSD：數字信號地線；

VSSA：模擬信號地線；

SP+，SP-：音頻信號輸出端，連接8-16揚聲器；

XCLK：時鐘控制端。

ANAIN：模擬信號輸入端。

ANAOUT：模擬信號輸出端；

AGC：自動增益控制，調整芯片內部前置放大器增益，使錄入信號不失真。

MIC：話筒輸入端，通過電容耦合，連接駐極體話筒。

MICREF：話筒參考輸入端。

PLAYE：放音控制脈沖觸發端，該端輸入由高電平向低電平跳變的下降沿時，芯片進入放音周期；

PLAYL：放音控制電平觸發端，當該端為低電平時，芯片進入放音周期；當該端為高電平時，停止放音。

REC：錄音控制端，當該為低電平時，芯片進入錄音狀態，錄音期間該端必須保持低電平。

RECLED：錄音顯示端，該端接發光二極管，在錄音時做錄音指示燈。

NC：空腳。

ISD1420系列語音集成電路由內部時鐘電路、自動增益控制電路、前置放大電路濾波器、差動功率放大器、電源電路、存儲器EEPROM、地址譯碼電路、存儲控制電路等組成，其內部電路邏輯結構框圖如圖9所示。

語音報警芯片采用美國ISD生產的新型優質單片機錄放音電路ISD1420。該芯片采用了直接模擬量存儲技術DAST。語音信號不經過轉換直接以原來狀態存儲到內部存儲器。可以提供真實自然的音樂、語音、聲音等。音質不會受到影響，同時不需要專用語音開發工具，成本低廉。

語音報警電路圖如圖9所示。endprint

單片機與SHT10接口電路部分：SHT10的SCK口和DATA口分別與單片機的P0.2口和P0.3口連接，DATA端口需要一個外部的4.7kΩ上拉電阻將信號提拉至高電平，只有當DATA為高電平時，SHT10才開始工作，如圖7所示。

五、語音報警電路

本系統語音報警器采用ISD1420語音芯片，ISD1420芯片型號的最后2位數字表示語音錄放時間的長度。這種芯片錄放音時間最長20s；需要的外接電路很簡單，必要的電阻、電容與麥克風結合在一起便可組成一個功能齊全的語音錄放系統；該芯片存儲的是模擬信息，模擬信息可以保證聲音質量，還可以達到一定的混響效果；待機時低功耗（僅0.5μA），典型放音電流15mA，可擴充級聯；可持續放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段數160段；錄放次數達10萬次；系統斷電時，音頻信號可以保存，不會丟失，不需要外在電源維持，信息的存放時間可以高達100年；使用簡便，不需要配套專用的音頻處理器；使用低電壓或是副跳變沿方式觸發錄音，供電方式采用單極性電源，供電電壓通常采用+5V。引腳圖如圖8所示。

ISD1420各管腳功能簡述如下：

A0～A7：地址輸入端或控制命令輸入端；當A7A6同時為高電平時，A4-A0

為控制命令，否則，A7-A0為地址；

VCCD：數字電路電源；

VCCA：模擬電路電源，+5V；

VSSD：數字信號地線；

VSSA：模擬信號地線；

SP+，SP-：音頻信號輸出端，連接8-16揚聲器；

XCLK：時鐘控制端。

ANAIN：模擬信號輸入端。

ANAOUT：模擬信號輸出端；

AGC：自動增益控制，調整芯片內部前置放大器增益，使錄入信號不失真。

MIC：話筒輸入端，通過電容耦合，連接駐極體話筒。

MICREF：話筒參考輸入端。

PLAYE：放音控制脈沖觸發端，該端輸入由高電平向低電平跳變的下降沿時，芯片進入放音周期；

PLAYL：放音控制電平觸發端，當該端為低電平時，芯片進入放音周期；當該端為高電平時，停止放音。

REC：錄音控制端，當該為低電平時，芯片進入錄音狀態，錄音期間該端必須保持低電平。

RECLED：錄音顯示端，該端接發光二極管，在錄音時做錄音指示燈。

NC：空腳。

ISD1420系列語音集成電路由內部時鐘電路、自動增益控制電路、前置放大電路濾波器、差動功率放大器、電源電路、存儲器EEPROM、地址譯碼電路、存儲控制電路等組成，其內部電路邏輯結構框圖如圖9所示。

語音報警芯片采用美國ISD生產的新型優質單片機錄放音電路ISD1420。該芯片采用了直接模擬量存儲技術DAST。語音信號不經過轉換直接以原來狀態存儲到內部存儲器。可以提供真實自然的音樂、語音、聲音等。音質不會受到影響，同時不需要專用語音開發工具，成本低廉。

語音報警電路圖如圖9所示。endprint