基于S51及语音芯片ISD1720的超声波测距仪设计毕业设计.docx
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基于S51及语音芯片ISD1720的超声波测距仪设计毕业设计
毕业设计报告
设计题目：
超声波测距仪
设计作者：
郑情元
专业班级/学号：
08级机电
（1）班0806050142
合作者1：
辛回佳专业班级/学号：
0806050110
合作者2：
陈章煜专业班级/学号：
0806050122
指导教师：
郑晓青
设计时间：
1引言……………………………………………………………………………
2毕业设计任务及要求………………………………………………………
2.1设计任务……………………………………………………………………
2.2设计要求……………………………………………………………………
3系统总体设计………………………………………………………………
3.1方案论证……………………………………………………………………
3.2系统结构框图设计及说明…………………………………………………
4软、硬件设计………………………………………………………………
4.1系统硬件设计………………………………………………………………
4.1.1系统硬件原理图及工作原理说明…………………………………
4.1.2单元电路设计原理与元件参数选择………………………………
4.2系统软件设计…………………………………………………………
4.2.1软件系统总流程图及设计思路说明………………………………
4.2.2软件各功能模块的流程图设计及思路说明………………………
5安装与调试……………………………………………………………………
5.1安装调试过程………………………………………………………………
5.2故障分析……………………………………………………………………
6结论……………………………………………………………………………
7使用仪器设备清单…………………………………………………………
8收获、体会和建议…………………………………………………………
9参考文献………………………………………………………………………
10附录……………………………………………………………………………
1引言
日常的测距工具在一些特殊场合是很不方便的，甚至无法进行距离的测量，比如液位，井的深度，管道的长度等等。
近年来，随着工业自动化生产和装配过程中自动识别的需要，特别是工业机器人的自动测距的需要，出现了多种测距方法和原理。
根据其信息载体不同可归纳为光学方法和超声波方法。
光学方法在某些应用领域有其局限性，相比之下，超声波方法在这些方面具有明显突出优点：
（1）超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，因此可以直接测量较近目标的距离，纵向分辨率较高；
（2）超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射性差的物体，如玻璃、抛光体；
（3）对外界光线和电磁场不敏感，可用于黑暗、有灰尘或烟雾、电磁干扰强、有毒等恶劣环境中；
（4）超声波传感器结构简单，体积小，费用低，信息处理简单可靠，易于小型化和集成化。
因此，超声波法作为非接触检测手段，已越来越引起人们的重视，在原苏联、日本、美国等发达国家已有较深的研究。
随着单片机技术的发展，其使用技术成熟，应用广泛，便于集成功能电路设计。
基于如此，可以采用单片机技术，利用超声波的反射作用。
超声波测距的原理是利用超声波在空气中的传播速度为已知，测量声波在发射后遇到障碍物反射回来的时间，根据发射和接收的时间差计算出发射点到障碍物的实际距离。
测量距离时，与被测量的物体无直接接触，便能稳定的显示测量结果。
超声波测距系统及其扩展系统可以应用于倒车、高速公路上的安全距离报警，建筑工地和一些工业现场的位置监控。
2毕业设计任务及要求
2.1设计任务：
（1）画出超声波测距仪的电路原理图
（2）画出语音芯片ISD1720应用电路图
（3）编写显示、语音等模块的单片机程序
（4）制作硬件电路板，并进行调试
2.2设计要求：
要完成设计任务，必需掌握以下各方面知识：
（1）C51系列单片机的应用原理
（2）掌握超声波传感器的使用
（3）查语音芯片ISD1720的资料及了解其的应用
（4）掌握诺基亚5510LCD屏幕（液晶）的使用
（5）了解一些芯片，如NE555P（脉冲产生）、LM393（双比较器）、CD4069（六相反相器）等。
（6）完成超声波测距的电路和程序。
（7）完成测到的距离数据显示。
（8）完成距离数据可以用语音报出。
3系统总体设计
3.1方案论证：
（1）主控制器方案论证确定
方案一：
采用PIC16F877控制外围元件及对超声波距离的计算，PIC16877内部模块多，功能强大，易于外围设计，是一般小中型控制芯片的理想选择。
方案二：
采用PIC16F877的兄弟模块PIC16F873来进行控制，既然是兄弟模块，在功能上基本上相同，唯一欠缺的是外围端口相对较少。
方案三：
采用AT89S52,其FlashEprom可在线编程微控制器，调试方便。
它有8K的ROM存储器和256的RAM地址。
它与工业标准MCS-51的指令和引脚兼容，因而是一种功能强大的微控制器，它对很多嵌入式控制应用提供了一个高度灵活有效的解决方案。
适用于本方案。
（2）超声波发射电路方案论证确定
方案1：
如图3-1，电路中晶体管Q1、Q2组成强反馈稳频振荡器，振荡频率等于超声波换能器T40的共振频率。
T40是反馈耦合元件，对于电路来说又是输出换能器。
T40两端的振荡波形近似于方波，电压振幅接近电源电压。
S是电源开关，按一下S，便能驱动T40发射出一串
超声波信号。
电路工作电压
，工作电流约
。
发射超声波信号大于
。
电路不需调试即可工作。
不采用此方案。
图3-140KHz超声波发动和电路一
方案2：
超声波发射电路原理图如图3-2所示。
发射电路主要由反向器74LS04和超声波发射换能器T40构成，单片机P1.5端口输出的
方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。
用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端，可以提高超声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R1、R2。
一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
这种方法的特点是分利用软件，声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R1、R2。
一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
这种方法的特点是分利用软件，声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R1、声波的发射强度。
输出端采用两个反向器并联，用以提高驱动能力。
上拉电阻R1、R2。
一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡的时间。
这种方法的特点是分利用软件，灵活性好，但需要设计一个驱动电流为100mA以上的驱动电路。
不采用此方案。
图3-240KHz超声波发动和电路二
方案3 ：
如图3-3，由NE555时基电路及外围元件构成40kHZ多谐振荡器电路，调节电阻器Rt1和Rt2阻值，可以改变振荡频率。
由NE555第3脚输出端驱动超声波换能器Lf的一端并接非门CD4069的一端,CD4069第2端接超声波换能器Lf的另一端使之发射出超声波信号。
由于NE555工作时，使能端4要接9V电压，而单片机输出5V，因而用LM393比较器进行比较，使NE555的工作由单片机控制。
电路简单易制。
电路工作电压9V，工作电流40～50mA。
发射超声波信号大于8m。
图3-340KHz超声波发动和电路三
（3）超声波接收及信号处理电路方案论证确定
方案1：
超声波接收器包括超声波接收探头、信号放大电路及波形变换电路三部分。
超声波探头必须采用与发射探头对应的型号，主要是频率要一致，这里采用CSB40R，否则因无法产生共振而影响接收效果、甚至无法接收。
由于经探头变换后的正弦波电信号非常弱，因此必须经放大电路放大。
正弦波信号不能直接被单片机接收，因此必须进行波形变换。
按照前文所讨论的原理，单片机需要的只是第1个回波的时刻，因此可采用比较电路将正弦波转换为脉冲方波，由软件查询得到第1个回波前沿时刻。
如图3-4所示。
超声波在空气中传播时，其能量的衰减程度与距离成正比，即距离越近、信号越强，距离越远、信号越弱，通常在
之间。
当然，不同的接收探头的输出信号强度存在差异。
由于输入信号的范围较大，对放大电路的增益提出了两个要求：
（1）放大增益要大，以适应小信号时的需要；
（2）放大增益要能变化，以适应信号变化范围大的需要。
另外，由于输入信号为正弦波，因此必须将放大电路设计成交流放大电路。
为减少负电源的使用，放大电路采用单电源供电，信号放大和变换采用了一片LM324通用运算放大器，前三级为放大器设计，后一级为比较器设计。
LM324既可以双电源工作，也可以单电源工作，因此能满足使用要求。
也可以选用其他运算放大器，但必须注意其能否单电源工作，因为不是所有运算放大器都能单电源使用的。
也可以选用其他运算放大器，但必须注意其能否单电源工作，因为不是所有运算放大器都能单电源使用的。
为满足交流信号的需要，每～级放大器均采用阻容电路进行电平偏移，即图3-2。
中的C2、C5和C6，容量均为10µF，实现单电源条件下交流信号的放大。
前两级放大电路的放大增益均为10。
距离较近时，两级放大时的增益已能输出足够强度的信号了，第三级看可能出现信号饱和，但距离较远时，必须采用三级放大。
为提高适应能力，可在图3-4的基础上，增设增益选择电路。
由软件自动完成增益切换，切换的原理是先进行大增益搜索回波，一旦发现回波而后续无回波的情况，说明增益过大，必须减少一级增益。
当然，软件设计的难度会大大增加，而且这种软件自适应增益法只能适用于静态测量，在动态条件下，会导致距离测量误差增大。
其原因是第1回波不可能作为距离计算依据，采用的可能是第2或第3回波的前沿信号，存在时差问题。
合理调节电位器R9，选择比较基准电压，可使测量更加准确和稳定。
实践证明，比较器参考电压的选取非常关键，它与测量灵敏度、系统鲁棒性都有关联。
选小可提高测量灵敏度，但鲁棒性下降，容易出现虚假回波被捕捉的情况，选大则情况相反。
显然，按照图3-4中的设计，当没有回波信号或回波信号很弱（即超出测量范围）时，比较器输出INTO为高。
此方案调试及控制较复杂，不予采用。
图3-4超声波接收及信号处理电路
方案2：
采用集成电路CX20106A构成超声波接收电路，如图3-5。
集成电路CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
CX20106A内部电路由前置放大器、自动偏置电平控制电路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器及波形整形电路组成。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路。
此电路外围元件较少，灵敏度可靠性较高，故选择此方案。
图3-5CX20106A
（4）显示电路方案论证确定
方案1：
使用四连数码管动态刷新现实。
如图3-6。
此方案电路简单，但显示不直观，显示花样少。
故不使用此方案。
图3-6四连数码管动态刷新电路
方案2：
使用1602A液晶，该液晶使用较简单。
不过用户自定义字符量少，大部分字符本身已定义好，自定义的字符宽度只有5x8,复杂文字显示困难，因此灵活性小。
而且引线16条，占线较多，占I/O资源。
故不使用此方案。
方案3：
使用Nokia5510lcd液晶，该液晶48*84位，串口通信，字符由用户自定义，能显示复杂文字、图像等。
引线8条，占端口资源少，同一画面能显示多个文字，文字宽度由用户定义。
但使用时程序较麻烦，不过做毕业设计是挺好的选择。
总体说该液晶灵活性高、实用。
所以选用该液晶来显示距离。
（5）语音模块方案论证确定
方案1：
使用ISD1400系列的语音芯片，该芯片是并行通信，问世时间较早，在一些功能上不够完善。
由于并口通信，它的使用较简单，不过引线较多，占资源会较多。
不采用因方案。
方案2：
使用ISD1700系列的语音芯片，该芯片是SPI串口通信，是ISD1400系列的升级版，功能较完善。
音质好，语音长短可由用户定义。
它引线少。
使用时比ISD1400系列的复杂，作为毕业设计，使用此方案，是较好的段练。
所以语音模块上选用此方案，电路图见图3-7。
图3-7语音模块电路图
（5）系统电源电路
系统电源以
为主电源，通过三端稳压电路LM7809及LM7805得到系统需要的
和
电源。
超声波发射电路采用
供电，其余电路采用
供电。
电路如图3-8。
图3-8电源电路
3.2系统结构框图设计及说明：
A、本毕业设计系统结构框图设计设计如下（图3-9）：
图3-9系统结构框图
B、设计说明：
根据生活的一些自然现象，可知超声波以一定速度（v=340m/s左右）在空气中传播，如果超声波在前方遇到障碍物时则被反射返回。
然后通过计时发送到接收的时间，再经过计算就可以得出距离。
该设计主要核芯是单片机，所先单片机的一个端口来控制超声波发射电路产生一个40KHz的脉冲信号，经过驱动电路，发射器发出超声波并开始计时，等到有波返回来时，接收器将接收到信号，信号经过放大，送给主芯片，以此同时并关断定时器。
经过其往返时间为t，距离s=vt/2即可算出被测物体的距离。
然后把距离送到LCD显示，也可以把距离用语音报出来。
如果需要,当你按下S1按键（可以参考附录电路图）时，可以把此时的距离读出来。
4软、硬件设计
4.1系统硬件设计：
主控单片机I/O口分配表（表4-1）：
端口
功能
端口
功能
P1.0
ISD1720的MOSO端
P2.3
LCD的SCE端
P1.1
ISD1720的MOSI端
P2.4
LCD的RES端
P1.2
ISD1720的SCLK端
P2.5
LCD的D/C端
P1.3
ISD1720的SS端
P2.6
LCD的SDIN端
P2.1
超声波发送信号控制端
P2.7
LCD的SCLK端
P3.3
外部中断入口
P1.4
语音报距离按钮
表4-1
4.1.1系统硬件原理图及工作原理说明：
本项目的主要核芯是单片机，所先单片机的一个端口（输出5V电压）来控制LM393芯片（工作电压为9V）的1端口输出的电平（0V或9V）。
根据LM393的1端电平的不同，来控制NE555P的工作。
NE555P的第3脚输出端驱动超声波换能器Lf的一端并接非门CD4069的一端,CD4069第2端接超声波换能器Lf的另一端使之发射出超声波信号，从而实现单片机控制超声波的发送。
CX20106A红外接收芯片的输出端的与单片机连接，状态直接反应到单片机。
单片机通过P2.1引脚来控制超声波的发送。
当一次超声波发送完后，就开启内部定时器,开启外部中断，且单片机不停的检测INT1引脚，当INT1引脚的电平由高电平变为低电平时就认为超声波已经返回。
单片机开启外部中断使定时器关闭，定时器所计的数据就是超声波所经历的时间，通过运算就可以得到传感器与障碍物之间的距离，这时通过BCD码转换把十六进制的数据转换成十进制，并通过查表把距离显示在Nokia5510LCD液晶器上。
如果需要报距，按下特定的键，可以把此时的距离用语音报出来。
实现方法是根据ISD1720与单片机进行SPI串口通信。
ISD1720具有定点播放的功能，通过查表把相应的语音读出来。
电路中用到的CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图2-3）。
实验证明用CX20106A
接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
适当更改电容C7的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
4.1.2单元电路设计原理与元件参数选择：
（1）超声波模块：
发送电路：
如图3所示，发送电路主要核心是NE555P。
它的最高工作电压是15V，本实验工作电压为9V。
当第4端为高电平时（9V），第3端就输出相应脉冲，它的脉冲宽度TL≈0.7（Rt1+R7）C4，由于电容C4放电时间决定；TH≈0.7（Rt1+R7）C4,由电容C4充电决定。
所以脉冲宽度T≈TH+TL。
因为实验中的超声波频率为40KHZ，且TL=TH。
假设取C4=1000pF,那么可以相应求出Rt1+R7=Rt2+R8≈18k,则取R7=R8=10k,Rt1=Rt2=20k。
C5固定取0.01Uf。
根据上段所述，控制脉冲输出的电平是9V，而单片机的电平在4.5-5.2V。
这显然不满足要求。
因此，引入比较器LM393，LM393是双比较器（如图4-1），但在本实验只用其中一个比较器。
LM393的第2端与第3端比较,其中第2端接约1V左右电压，第3端接单片机控制端P2.7。
当P2.1为高电平时，第1端则输出9V电平。
反之，输出低电平。
从而主单片机进行控制超声波的发送。
图4-1LM393内部结构
接收电路：
接收电路中用到的CX20106A是一款红外线检波接收的专用芯片，常用于电视机红外遥控接收器。
考虑到红外遥控常用的载波频率38kHz与测距的超声波频率40kHz较为接近，可以利用它制作超声波检测接收电路（如图4-2）。
实验证明用CX20106A接收超声波（无信号时输出高电平），具有很好的灵敏度和较强的抗干扰能力。
适当更改电容C7的大小，可以改变接收电路的灵敏度和抗干扰能力。
图4-2超声波接收电路
CX20106A的引脚注释：
l脚：
超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40kΩ。
2脚：
该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。
增大电阻R或减小C，将使负反馈量增大，放大倍数下降，反之则放大倍数增大。
但C的改变会影响到频率特性，一般在实际使用中不必改动，推荐选用参数为R18=4.7Ω，C4=3.3μF。
3脚：
该脚与GND之间连接检波电容，电容量大为平均值检波，瞬间相应灵敏度低；若容量小，则为峰值检波，瞬间相应灵敏度高，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为C5=3.3μF。
4脚：
接地端。
5脚：
该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。
例如，取R17=200kΩ时，fn≈42kHz，若取R17=220kΩ，则中心频率f0≈38kHz。
所以取220kΩ
6脚：
该脚与GND之间接入一个积分电容，标准值为C6=330pF，如果该电容取得太大，会使探测距离变短。
7脚：
遥控命令输出端，它是集电极开路的输出方式，因此该引脚必须接上一个上拉电阻到电源端，该电阻推荐阻值为22kΩ，没有接收信号时该端输出为高电平，有信号时则会下降。
8脚：
电源正极，4.5V～5V。
（2）显示模块：
显示采用Nokia5510lcd显示，其是串口与单片机通信。
它的外部引线有8条。
具体如下：
1脚：
电源正极端，电压范围2.7V-6.2V。
2脚：
电源负端
3脚：
SCE芯片使能，允许输入数据。
低电平有效。
4脚：
RES复位端，应用于初始化，低电平有效。
5脚：
D/C模式选择，选择命令/地址或数据。
6脚：
DIN串行数据线，输入数据线。
7脚：
SCLK串行时钟线。
8脚：
背灯电源端，电压正时亮，负时灭。
与外部连接如下图（图4-3）：
图4-3
它是一个48X84点阵LCD，内部有个DDRAM显示数据存储器。
通过写相应命令和数据，可显示出相应的数据。
内部工作原理图（图4-4）如下：
图4-4
（3）语音模块：
ISD1720一些主要引脚功能表（表4-2）：
端口
功能
4
MOSO脚，数据在时钟下降沿输出SPI接口的串行输出
5
MOSI脚，数据在时钟上升沿输出SPI接口的串行输入
6
SCLK脚，SPI接口的时钟，由主控芯片产生时钟
7
SS脚，片选端，低有效
10
MIC+脚，话筒差分信号正向输入端
11
MIC-脚，话筒差分信号负向输入端
13
SP-脚，喇叭输出负端
15
SP+脚，喇叭输出正端
19
VOL脚，音量调节端
22
FT脚，直通选择端。
SPI时无效
23
PLAY脚，播放当前曲
24
REC脚，录音控制端
25
ERASE脚，擦除控制端
11
FWD脚，指针指向下一曲
表4-2
语音芯片ISD1720的工作方式有两种：
按键操作模式和SPI模式。
在按键操作模式上，是通过按键进行控制它工作。
该工作方式上，通过按键操作。
独立按键工作模式录放电路非常简单，而且功能强大。
不仅有录、放功能，还有快进，擦除，音量控制，直通放音和复位等功能。
在本设计上，由于要指定播放特定的语音，在按键模式上难于实现。
而且要微机控制它的工作，所以它工作方式为SPI模式。
在芯片内，所先用户要根据各需要的语音存储到内部储存地址里面，有两种方式：
一种是用外围电路通过第九端ANALN，把语音信息传送到内部地址。
一种是用独立按键直接录音。
在第一种情况下，能准确的把相应的语音存放在用户需要的地址内，不过要有各个源语音，格式为WAV音频；第二种情况下，它的储存地址是10H后面，顺序排列。
但由于设备的限制，采用独立按键录音。
工作时采用SPI工作。
图7为语音模块的电路图，ISD1720其中的第20端内部有个电阻ROSC为振荡电阻，决定内部的工作频率，振荡电阻用一个电阻R2接到地。
根据R2的不同，可以得到它不同的工作频率，从而得到不同的录音时间。
R2的大小与录音时间长短关系如下表4-3：
R2（KΩ）
53
80
100
120
160
录音时间（S）
20
30
37
45
60
表4-3
由于应用在音质一般的场合，因此取R2=80kΩ，图中其它元件阻值为固定参数。
在此不多介绍。
4.2系统软件设计：
4.2.1软件系统总流程图及设计思路说明：
①软件系统总流程图（图4-5）：
图4-5
②设计思路说明：
主程序框图如图所示，主程序首先对系统环境初始化，设置定时器T0工作模式为16位的定时计数器模式，置位总中断允许位EA并给显示端口P0和P2清0。
然后调用超声波发射子程序送出超声波脉冲，为避免超声波从发射器直接传送到接收器引起的直接波触发，需延迟一段时间，保持电平12.5us左右，也就是超声波频率大约为40KHZ，连续发送15个波形（这也是超声波测距离会有一个最小可测距离的原因）后，才打开外中断1接收返回的超声波信号。
由于采用12MHz的晶振，机器周期为1us，当主程序检测到接收成功的标志位后，将计数器T0中的数（即超声波来回所用的时间）按下式计算即可测得被测物体与测距仪之间的距离，设计时取20℃时的声速为340m/s则有：
d=（C*T0）/2=170*T0/10000cm（其中T0为计数器
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