超声波导盲仪及语音提示系统.docx
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超声波导盲仪及语音提示系统
毕业设计（论文）
设计（论文）题目：
超声波导盲仪及语音提示
系统设计
学生姓名：
张宪旺指导教师：
赵国树
二级学院：
机电工程学院专 业：
自动化
班 级：
10自动化学 号：
**********
提交日期：
年月日答辩日期：
年月日
超声波盲人导航及语音提示系统
摘要
本文首先对超声波测距进行简要的描述，并介绍了超声波测距原理；然后分别讲述了本设计的各个模块的调试，在此基础上对本设计进行系统的布局和设计；最后讲述了本系统误差分析以及实物附图。
本盲人导航系统是以盲人行走常带的手杖为载体，STC89C52单片机为控制核心，加以超声波发射、超声波接收、液晶显示模块、SYN6288语音提示模块、单线程温度传感器模块、温度补偿模块、功率放大器模块和电源电路以及其他电路构成。
各探头的信号经单片机综合分析处理，实现超声波测距仪的各种功能。
相关部分附有硬件电路图、流程图和程序图。
关键字：
STC89C52；超声波；语音
ThedesignofultrasonicnavigationsystemfortheBlindwithaviocepromptsystem
Abstract
First,thedefinition,principleoftheultrasonicdistancemeasurementareintroducedinabriefwayinthispaper.Then,thedebuggingofeachmoduleofthisdesignaredescribed.Onthebasisofthis,webegincarryingontheconsecutionofthelayoutanddesign.Finally,weanalysestheerrorofthesystemandputonthepicturesofthematerialobject.
TheBlindManNavigationsystemisbasedonastickoftheblindandwechosetheSTC89C52asthecontrolcore,includingultrasonicemission,ultrasonicreceiver,liquidcrystaldisplaymodule,SYN6288voicepromptmodule,singlethreadtemperaturesensormodule,temperaturecompensationmodule,poweramplifiermoduleandpowersupplycircuitsandothercircuits.Theprobesignalsareintegratedanalysis-edbySCMCtoachievethevariousfunctionsofultrasonicdistancemeasurementinstrument.Therelevantpartshavethehardwareschematics,flowchartandprogramdiagram.
Keywords:
STC89C51;Ultrasonic;Voiceprompt
第一章绪论
超声技术与众多学科交叉，互相促进，共同发展。
自从人们了解超声的物理特性之后，便开始开发各种探头材料，发明各种超声激发和接受装置以及转换器，研制出各种仪器与设备，极大地推动了超声技术在各领域的开拓发展与应用。
当前社会经济的不断发展和工业科学技术的不断提高，汽车已逐渐进入不少百姓家。
汽车使用数量的不断增加，从而由此导致的倒车交通安全问题也非常严重，道路交通压力增加，交通安全问题也是面临严峻挑战。
在面临如此严峻的交通安全问题，许多涉及安全问题的汽车辅助系统也纷纷现世。
而本设计就是利用单片机知识、传感器知识等，进行的汽车防撞装置的设计，在汽车倒车时，这种装置可以在驾驶员对车尾与障碍物体的距离远近无法目测和判断时进行报警。
1.1超声技术发展史
超声技术是一门综合性极强，涉及电子、声学、材料、机械、医疗等众多学科，通过超声波产生、传播及接受的物理过程来实现的通用技术。
随着社会的飞速发展，由于超声技术能够有效的提高生产效率，保障生产安全，降低生产成本，其应用日益广泛。
所谓超声波是指频率在20kHz以上，人耳听不到的声波。
一百多年来，超声波技术的发展十分迅猛。
F.Savart于1830年用齿轮产生了24kHz的超声；1876年F.Galton用气哨产生了30kHz的超声；1916年P.Langevin利用水下超声作为侦查手段标志着现代超声学的开始，为检测超声奠定了基础；而R.W.Wood和A.E.Loomis于1927年对超生能量作用的实验报告则为功率超声波开辟了道路。
我国亦于1956年将超声学研究列入了12年科学规划，由此超声研究与应用开始广泛的开展，1965年开始研究了表面波换能器，而随着超声清洗、超声焊接、超声加工、超声医疗、超声乳化等逐渐投入应用，标志着我国超声学面向实际应用的成熟。
作为一门交叉学科，电力电子技术的飞速发展、电力电子器件的不断更新换代也大大促进了超声技术的发展。
目前，我国的超声学研究取得了巨大的发展，有些方面已接近或达到国际先进水平。
超声技术的发展与应用为我们提供了一个充分认识客观事物的有力工具，呈现给我们一个更加多元化、精彩纷呈的世界。
1.2超声发生器的发展及趋势
超声波发生器（或称功率源）是一种用于产生并向超声换能器提供超声能量使之工作于谐振频率的装置，根据其激励方式可分为两种：
一种是他激式，一种是自激式，他激式超声发生器主要包括两个部分：
前级是信号发生器，后级是功率放大器，一般通过输出变压器耦合，将超声能量加到换能器上。
自激式超声发生器则将信号发生器、功率放大器、输出变压器及换能器连成一个整体，构成一个闭环回路，使整个发生器通过幅度、相位反馈，产生足够的功率，使换能器自动保持谐振在机械共振频率上。
随着科技的日新月异，电力电子器件的发非常展迅速，迄今为止，已经发展出很多不同原理、不同特性的电力电子器件。
一代器件决定一代电力电子技术，超声波发生器的发展同样离不开电力电子器件的发展，并在一定程度上是随着其发展而发展的依据超声波发生器末级功放管所采用的器件类型，可看出其所发展经历的几个阶段：
1、早期的产品是采用电子管，然后发展到可控硅变式超声发生器，他们缺点很多，都已经被淘汰。
2、晶体管式超声发生器。
各种OCL及OTL功放级电路军车适用于发生器，其线路成熟，成本较低，但体积大，质量重，很难调整到超声换能器最佳频率谐振点上，输出功率受功率管限制，不能达到理想的效果。
不易于采用现代的数字方式来处理，仅仅在小功率（200W一下）应用。
3、功率模块超声发生器。
通过调节开关管的占空比来控制输出的功率，具有功耗低，效率高，体积小，重量轻，可靠性好，易于采用数字方式控制。
表1-1三种发生器主要性能特点
类型
性能特点
电子管式发生器
晶体管式发生器
功率模块发生器
线路方式
简单
简单
比较简单
体积
大
中
小
重量
重
中
轻
效率
底（40%）
中（60%--70%）
高（80%--90%）
功率
中
小
大
功耗
大
中
小
成本
低
低
高
自动化程度
低
中
高
保护电路
简单
中
复杂
2.1语音技术
语音技术在计算机领域中的关键技术有自动语音识别技术（ASR）和语音合成技术（TTS）。
让计算机能听、能看、能说、能感觉，是未来人机交互的发展方向，其中语音成为未来最被看好的人机交互方式，语音比其他的交互方式有更多的优势。
最早的语音技术因“自动翻译电话”计划而起，包含了语音识别、自然语言理解和语音合成三项非常主要的技术。
语音识别的研究工作可以追溯到20世纪50年代AT&T贝尔实验室的Audry系统，此后研究者们逐步突破了大量词汇、连续语音和非特定人这三大障碍。
让计算机说话需要用到语音合成技术，其核心是文语转换技术（TextSpeech），语音合成甚至已经用到汽车的信息系统上，车主可以将下载到系统电脑中的文本文件、电子邮件、网络新闻或小说，转换成语音在车内收听。
第二章超声波测距概述
本章节首先介绍超声波广泛的用途，详细介绍了出去超声测距之外的主要用途，然后由此引出超声测距的优势以及超声波检测技术的具体应用，最后对超声波测距系统的性能指标和功能进行了介绍。
2.1超声波用途
超声波是一种机械振动在媒质中的传播过程，其频率一般在20kHz以上。
超声波的应用很广泛，主要是两大类，一是利用较弱的超声波进行各种物理、化学参数的测量和检验，如超声探伤、超声检漏、超声测距等。
二是利用高强度的超声波改变物质的性质和状态，如超声钻孔、超声清洗、超声焊接、超声粉碎等，由于这种超声波强度高、功率大，又称为功率超声。
超声波干燥：
超声干燥方法可以提高湿气的去除率，降低最终湿气的含量，与普通加热和气流干燥方法相比，优点是干燥速度快、最终湿气含量低且被干燥的材料不会被破坏，也不会被气流吹走。
因此，超声波干燥对怕热物料如中药、食品、木制品和纸制品等的脱水有很大潜力。
超声波消毒杀菌：
食品在包装过程中大都是用高温加热方法进行消毒杀菌，但有些食品不易承受高温加热处理，如有的水果罐头在罐装过程中，罐内不可避免地会进入或残留一些有害细菌，封口后显然不能再进行加热，最好的办法就是由超声波穿透罐体进入食品将细菌杀灭。
超声波清洗：
超声波清洗是利用超声波在液体中的空化作用、加速度作用及直进流作用对液体和污物直接、间接的作用，使污物层被分散、乳化、剥离而达到清洗目的。
目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用得更多。
在电子、电器工业方面超声波可以清洗机器零部件、继电器、开关、印刷电路板、电位器、真空管零件、半导体元件、硅片、电容器、照相机快门等；印刷板油墨、焊料、油质防腐剂、石蜡、磨料、染料；绣、氧化物、盐、手垢、尘土等。
超声波焊接：
焊接主要体现在包装中塑料软管的封尾加工上，运用超声波原理对软管、复合管进行尾部封口，工作稳定性好，效率高。
超声波软管封尾机系列用于牙膏、化妆品、药品、食品、工业用品，等各类软管封尾。
还有无纺布超声波焊接机在包装上应用，如：
无纺布手提袋、无纺布包装袋、无纺布购物袋和无纺布过滤袋。
2.2超声波测距特性
由于超声波指向性强，能量消耗缓慢，在介质中传播的距离较远，因而超声波经常用于距离的测量，如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现。
利用超声波检测往往比较迅速、方便、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求，因此在移动机器人研制上也得到了广泛的应用。
2.2.1超声波用于距离测量的优势
近年来，由于导航系统、工业机器人的自动测距、机械加工自动化等方面的需要，自动测距变得十分重要。
与同类测距方法相比，超声波方法在以下几方面具有明显的优势：
（1）相对于声波，超声波具有定向性好、能量集中、在传输过程中的衰减较小、反射能力较强等优势。
（2）相对于光学方法，超声波的波速较小，可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；对色彩、光照度、电磁场不敏感，被测物体处于黑暗，有灰尘，烟雾，电磁干扰，有毒等恶劣的华宁有一定的适应能力。
特别是在海洋勘测方面具有独特的优点。
（3）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化与集成化。
超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性，反射，折射，干涉，衍射，散射。
与物理紧密联系，应用灵活。
并且更社和与高温，高粉尘，高湿度和高强电磁干扰等恶劣环境下工作。
因此无论从精度还是从可靠性方面，超声波测距做的都比较好。
利用超声波检测既迅速，方便，计算简单，又易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。
具有广泛的发展前景。
2.2.2超声波检测技术
由于超声波具有激发容易、检测工艺简单、操作方便、价格便宜等优点，因此在道路状态检测中，特别是高等级水泥路面路基检测中的应用有着较广泛的前景。
实践证明，频率愈高，检测分辨率愈高，则检测精度愈高。
因此实践中利用超声波检测水泥路面状态时，其上限频率为100KHz、下限频率为20KHz。
超声波是一种波，因此它在传输过程中服从波的传输规律。
例如：
超声波在材料中保持直线行进；在两种不同材料的界面处发生反射；传播速度服从波的传输定理：
ν＝λf（ν为波速，λ为波长，f为波的频率）。
资料证明，波速对于水泥路面路基检测十分有用，因此一般也称超声波检测法为波速法。
波速法是超声波检测水泥路面路基状态的最基本的方法。
研究证明，波在介质材料中行进的速度愈大，则介质材料的坚硬性愈大；反之，则介质材料愈松软。
而介质材料的坚硬性实质上也反映了该种材料强度的高低，因此材料强度愈高，波速应愈大；材料强度愈低，则波速应愈小。
这样，知道了波速，亦即知道了材料强度。
在土工试块及某些岩体中利用波速法进行无损检测有比较成熟的经验，用得也比较广泛。
但水泥路面路基情况比较特殊，作为无损检测的超声波探头无法生根或埋置，从而造成检测工作的难度。
因此，应该采用波速法与回弹法相组合的综合法。
常用的超声波检测方法有共振法、穿透法、脉冲反射法等。
（1）脉冲反射法是通过内部缺陷或者试件的底部反射回波的情况来对实践中缺陷的大小和位置进行评估。
在金属板缺陷的定位判断、检测套管和腐蚀及缺陷、人体血管壁超声传输特性研究、钢管的厚度测量、混凝土内部结构等领域都得到广泛的应用。
（2）共振法是根据声波在试件中呈共振状态来测量试件厚度或判断有误缺陷的方法。
南京大学声学研究所研制的超声共振自动测试系统主要用于表面较光滑的工件的厚度检测、金属焊接残余应力检测等。
（3）穿透法则是在试件的两侧放置探头，一个探头发射超声波到试件中，而另一个则接收穿透时间后的脉冲信号，根据信号强度和幅度的变化来判断内部缺陷情况。
这种方法在金属夹杂物缺陷的检测等探伤方面得到广泛的应用。
在用非接触法进行无损检测时，加入耦合剂是为了减少超声波在探头与检测面之间的损耗，提供较好的穿透能力，获得更好的检测效果。
常见的非接触式超声检测技术有电磁超声检测技术、空气超声检测技术以及激光超声检测技术。
（1）20世纪60年代末电磁声换能器（EMAT）的出现，使得无损检测能够在高温、高速等恶劣条件下得以实现。
EMAT靠电磁效应激发和接收超声波，由电磁铁、高频线圈及北侧试件组成。
在实际应用中通过改变不同形状的磁铁和线圈的排列方式，可以产生纵波、横波、表面波和LAMB波等不同模式的超声波。
基本原理是高频线圈通过电流时，在试件的表面就会感应涡流，此涡流在磁铁提供的外加磁场的作用下都会产生洛仑磁力，在此机械力的作用下产生高频振动，形成超声波。
接收超声波时，试件表面的震荡也会在外加磁场的作用下，在高频线圈中感应出电压而被仪器接收。
电磁超声只能在导电介质上，因此主要应用于金属材料的检测，跟传统的超声波检测技术相比具有无需任何耦合剂、灵活的产生各类波形、声传播距离远、检测速度快等特点。
在金属探伤、火车车轮裂纹的检查等方面得到很好的应用。
（2）空气耦合是一种直接用空气作耦合剂的方法。
探头发射的超声波，经过空气后，进入被检测试件，透过试件的超声波再被接收探头接收。
换能器和试件之间不需要耦合剂，但主要受三方面的影响：
超声波在空气中的衰减、气固表面超声波的大量反射和超声换能器的转换效率。
这三个方面限制了空气耦合技术的发展。
Grandia在1995年就开始对空气耦合式换能器的研究，提出了通过增加耦合层的方法制作适应以空气作介质的换能器和采用显微加工技术制作静电换能器这两种方法，基本原理和制作方法都进行了比较。
国内空气耦合超声检测及时的发展受实验环境、人员水平等条件的限制，发展很缓慢。
美国QMI实验室和加拿大R&D公司相继研发成功了100kHz--5MHz的压电换能器给空气耦合超声检测技术工程带来了希望。
1997年董正宏等以航天符合材料无损检测为背景建立了空气耦合式超声检测试验系统，并与传统浸入式超声检测技术相比较，分析和评估了耦合式超声在检测灵敏度、回波信号动态范围等方面与传统浸入式检测存在的差异。
针对空气耦合存在的不足，提出了相应的解决办法。
（3）激光超声技术的研究始于1963年由Whit·R·M提出用脉冲激光产生超声脉冲。
激光乐意通过热弹效应和烧蚀作用并且利用北侧材料周围的其他物质作为中介这两种方法激发超声波。
激光超声波极力检测可以利用超声换能器和光学法检验技术实现，光学法可以分为干涉和非干涉两种。
干涉法又分为刀刃检测技术、表面栅格衍射技术、反射率监测技术等。
现代超声无损检测技术沿着智能化、自动化、图像化、数字化、小型化、系列化、多功能化、信息化和交叉领域的方向发展。
检测技术、成像技术的成熟，是超声波技术已经满足现代质量对无损检测技术的要求。
无线通讯技术和计算机的应用，使得超声检测技术可以克服传统技术上有线传输的种种缺点。
在国民经济高速发展的趋势下，超声检测作为许多产品质量保障的重要手段之一必将得到更多的关注和提高。
2.2.3系统性能指标
（1）超声波电路时间增益补偿
由于声速远小于光线和无线电波在空气中的传播速度，超声波测距法电路简单、造价较低。
但是超声波测距也有他固有一些缺陷，首先是超声波在空气中衰减极大，由于测量距离的不同，造成回波信号的起伏，使回波到达时间的测量产生较大的误差。
其次是超声波脉冲在发射、空气中传播和接收的过程中，其回波信号被展宽。
由于超声波收、发传感器均由电陶瓷构成，压电陶瓷片在压电的双向转换过程中，均存在惯性、滞后等现象，导致回波信号被展宽，另外超声波脉冲在空气中传播本身及多重的反射路径，也导致回波信号被展宽。
这些因素造成了回波正确到达时间的不确定性,对测量精度造成较大的影响。
当然还有温度和风速的影响,但影响超声波测距精度的主要还是回波到达时间的检测误差,正确检测回波到达时间,能使超声波测距精度获得提高。
下面就以上两个影响回波到达时间检测的关键因素,讨论如何正确检测回波到达时间,并给出了相应电路设计。
时间增益补偿电路超声波在空气中传播时,声强会随传播距离的增加而减小,这就是所说的衰减现象,造成超声波衰减的因素是由于声束本身的扩散以及以及由于反射、散射等原因造成的声强度减弱。
显然,这一类衰减没有使声波的总能量减少,只是使其偏离了原来的传播方向而转移到其他方向上去了。
设最初的声强为在经过
距离后,由于吸收衰减,声强变为I,则超声波的吸收可以用式
（2）表示:
式中,α为空气衰减系数。
由上式可知,超声波在空气中传播时,随着传播距离的增加,其总能量逐渐减弱,其规律是按指数形式衰减。
因此,在不同距离上的回波脉冲幅度,由于其声程不同,造成的吸收程度也不同,使回波脉冲幅度的差异很大,由于在回波脉冲信号处理中通常采用比较器电路,将回波脉冲（形状为钟形）跟一固定的基准电压作比较,将回波脉冲整形为方波;由于不同距离的回波脉冲幅度差异较大,回波到达时间产生不确定性,导致测量误差产生。
时间增益补偿电路是一种放大倍数随时间呈指数增加关系的一种放大器,设计中增益控制采用了数字电位器,并利用单片机的强大功能,将单片机内部事先设定的补偿数据对数字电位器进行衰减状态控制,可进行精确的时间增益补偿。
利用单片机控制数字电位器,电路实现简单且补偿特性能根据实际情况调整,充分利用了单片机软件资源,在实际使用中收到了较好的效果。
（2）超声波测距中温度补偿
在常温下,超声波的传播速度为340m/s,但其传播速度V易受到空气中温度、湿度、压强等因素的影响,其中温度的影响最大。
一般温度每升高1℃,声速增加约为0.6m/s。
表2-1为超声波在不同温度下的波速值。
表2-1波速与温度系数表
温度（℃）
-30
-20
-10
0
10
20
30
100
波速（米/秒）
313
319
325
323
338
344
349
386
由此可见温度对于超声波测距系统的影响是不可忽略的。
为了得到较为精确的测量结果,必须对波速进行温度补偿。
通过实验可获得波速与温度之间的经验模型:
V=331.5+0.607T,T为现场温度,V为实际波速。
从式中可看出,要获得准确的波速值,必须首先获取现场温度T的大小。
本文采用DS18B20检测现场温度,用以实现实际波速的校准。
第三章超声波测距原理
本章节首先介绍超声波发生器的技术标准以及类型，然后引出了电压式超声波发生器原理，最后介绍了超声波测距的基本原理。
3.1超声波发生器
超声波发生器，通常称为超声波电箱、超声波发生源、超声波电源。
它的作用是把我们的市电（220V或380V，50或60Hz）转换成与超声波换能器相匹配的高频交流电信号。
从放大电路形式，可以采用线性放大电路和开关电源电路，大功率超声波电源从转换效率方面考虑一般采用开关电源的电路形式。
线性电源也有它特有的应用范围，它的优点是可以不严格要求电路匹配，允许工作频率连续快速变化。
从目前超声业界的情况看，超声波主要分为自激式和它激式电源。
如下图3-1、图3-2。
图3-1自激式
图3-2他激式
（1）小功率超声波发生器|高频超声波控制箱
超声波内置发生器，一体式超声波发生器。
一．性能简小功率超声波发生器介：
控制箱采用微电脑控制下的它激式线路，频率自动跟踪及扫频工作方式等先进技术。
与传统控制箱相比，具有工作稳定可靠、超声功率连续可调，能最大限度地发挥换能器的潜能。
工作频率自动跟踪，使输出匹配更佳，功率更加强劲，效率更高。
独特的扫频工作方式，使清洗液在扫频的作用下形成一股细小的回流，及时把超声剥离下来的污垢带离工件表面，从而达到更快速、更彻底的清洗效果，超声清洗效率更高。
同时，具有完善的保护功能：
过热保护和过流保护，工作更加可靠。
小功率超声波发生器配合数码功率调整可适应各种不同的清洗要求。
二．主要技术指标：
工作电压：
220V10%额定功率100W、200W、300W工作频率：
28KHz40KHZ时间控制：
0--59分59秒功率控制范围：
0-100%16级数控调节机内过热保护：
65C°外型尺寸：
LxWxH=198x120x50适用于：
小功率超声波清洗机，家用清洗机，内置发生器型超声波机。
（2）高频超声波发生器|40KHZ超声波发生器
控制箱采用微电脑控制下的它激式线路，频率自动跟踪及扫频工作方式等先进技术。
与传统控制箱相比，具有工作稳定可靠、超声功率连续可调，能最大限度地发挥换能器的潜能。
工作频率自动跟踪，使输出匹配更佳，功率更加强劲，效率更高。
独特的扫频工作方式，使清洗液在扫频的作用下形成一股细小的回流，及时把超声剥离下来的污垢带离工件表面，从而达到更快速、更彻底的清洗效果，超声清洗效率更高。
同时，具有完善的保护功能：
过热保护和过流保护，工作更加可靠。
工作电压：
220V10%额定功率600W、900W、1200W、1500W、1800W2400W、2700W工作电流2.5A、3.5A、4.5A、5A工作电流：
请注意，设备不能在长时间在大于额定电流的状态下运行环境温度：
0-40C°相对湿度：
40%--90
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