基于51單片機的高精度超聲波語音播報測距儀設計

邵陽學院信息工程系 李 忠 許建明 申 穎 粟成發 曹勝果

隨著電子技術的發展，超聲波傳感器在測量方面有著廣泛和普遍的應用，特別在測距儀中的應用。采用超聲波傳感器進行距離測量能夠適應煙霧環境、黑暗環境、電磁干擾、有毒有害氣體空間等惡劣環境的場合，是一種非接觸式測距的測量方法，因而在液體流量和液位測量、倒車雷達、建筑施工等各種應用領域有較大的實用價值[1]。利用微控制器控制超聲波測量距離具有快捷方便、成本低廉、電路簡單、實時控制等特點，本設計就是采用單片機作為主控制器，利用超聲波測距原理實現數顯、快速、高精度的超聲波測距儀的設計。

1 測距原理

超聲波電路包括發射電路和接收電路，計時開始時發射電路向被測物發射超聲波，超聲波在空氣中進行傳播[2]，途中遇到被測物體產生反射，接收器接收后立即停止計時。由于超聲波在空氣中傳播的速度是340m/s，單片機定時器記時為t，計算得到發射點到被測物體的距離(s)，即：s=340t/2。原理圖如圖1所示。

圖1 超聲波測距原理圖

2 硬件設計

超聲波測距儀系統主要包括：超聲波模塊、ISD4004語音模塊、存儲模塊、LCD顯示模塊和按鍵控制模塊四個部分，系統方框圖如圖2所示。

圖2 系統硬件方框圖

2.1 超聲波模塊

由于目前市場上成型的超聲波測距模塊應用日益廣泛，性能穩定且精度高，因此本設計采用KS103超聲波測距模塊代替超聲波發射與接收電路[3]。KS103超聲波模塊測較大平面物體量程可達10米，平均精度2mm，最高可達1mm，且帶溫度補償功能，減小了測量誤差。

2.2 ISD4004語音模塊

ISD4004芯片工作電壓3V，單片錄放時間8至16分鐘，還可以在斷電情況下保存，非常適合于便攜式電子產品設計。因此語音模塊采用了ISD4004芯片。語音模塊電路如圖3所示。

2.3 存儲模塊

本系統采用AT24C02作為存儲電路[4]，因AT24C02的工作電壓范圍教寬，且具有接口方便、體積小、可靠性高、數據掉電不丟失等特點。所以采用AT24C02來存儲測量數據，通過按鍵可以調出之前30次的測量數據。

2.4 顯示與按鍵模塊

考慮到數碼管顯示過于簡單，而且顯示效果也不如LCD1602，為方便查看測量數據，故顯示模塊采用LCD1602。為使測距儀操作盡量簡單，按鍵控制模塊一共只設計了三個按鍵，其功能分別是：測量、上翻數據、下翻數據。

圖3 語音模塊電路

3 軟件設計

超聲波測距程序由主程序、超聲波發射和接收程序、距離計算程序以及LCD顯示程序組成。主程序對各模塊初始化，并給LCD1602發送開機顯示字符。三個按鍵分別連接到單片機的三個引腳，采用掃描的方式判斷三個按鍵（測距、記錄加和記錄減）是否某一個按鍵被按下，再調用相應的子程序進行處理；超聲波脈沖的發送由超聲波發送子程序實現，為避免超聲波從發射到接收出現直接波的觸發，增加一定的延時時間。從發出超聲波的時候開始計時，當接收到返回的超聲波時停止計時，最后根據時間計算出所測量的距離。本設計采用主頻為12MHz，1μs的機器周期，當成功接收的標志位被主程序檢測到之后，按式(1)可計算出測距儀與被測物體間的距離：

式(1)中計數器T0中的值為發送到接收的時間，C為速度，d為距離。計算出的距離結果以十進制BCD碼形式進行LCD顯示，接著進行重復測量。程序主流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

4 實驗結果與實物

按以上步驟完成超聲波測距儀的設計后，對完成的實物進行實際的數據測量。測量結果如表1所示。

表1結果分析：在小于1cm時與大于450cm時誤差較大，在1cm-450cm區間內誤差在1mm以內，大于500cm無數據。

實物制作與測量數據如圖5所示。

表1 測試結果（環境溫度25°C）

圖5 實物測試圖

5 結束語

本設計利用STC89C51單片機設計的高精度超聲波語音測距儀，將測量的結果用LCD1602液晶直接顯示，通過ISD4004語音模塊對測量結果進行實時播報。超聲波測距模塊采用KS103，測距結果通過I2C總線協議輸出，這種通過電路模塊化的設計方式非常符合當今電子產品發明設計主流。本超聲波語音測距儀通過仿真和實物的雙重驗證，具有性能穩定、測量精度高、操作簡單，且有非常好的推廣和應用價值。

[1]卜英勇,王紀嬋,趙海嗚等.基于單片機的高精度超聲波測距系統[J].儀表技術與傳感器,2007(3):66-68.

[2]郁有文,常健,程繼紅.傳感器原理及工程應用[M].西安:西安電子科技大學出版社,2008.

[3]胡曉,巴力登.基于AT89C52的超聲波測距系統設計[J].工業控制計算機,2014,27(3):125-126.

[4]江世明,許建明,朱群峰,申壽云.單片機原理及應用[M].上海:上海交通大學出版社,2013.