超声波测距离加语音报距毕业设计论文.docx
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超声波测距离加语音报距毕业设计论文
毕业设计报告
设计题目：
超声波测距仪
设计作者：
专业班级/学号：
08级机电
（1）班0806050142
合作者1：
专业班级/学号：
0806050110
合作者2：
专业班级/学号：
0806050122
指导教师：
设计时间：
2011-4-15
毕业设计（论文）原创性声明和使用授权说明
原创性声明
本人郑重承诺：
所呈交的毕业设计（论文），是我个人在指导教师的指导下进行的研究工作及取得的成果。
尽我所知，除文中特别加以标注和致谢的地方外，不包含其他人或组织已经发表或公布过的研究成果，也不包含我为获得及其它教育机构的学位或学历而使用过的材料。
对本研究提供过帮助和做出过贡献的个人或集体，均已在文中作了明确的说明并表示了谢意。
作者签名：
日 期：
指导教师签名：
日 期：
使用授权说明
本人完全了解大学关于收集、保存、使用毕业设计（论文）的规定，即：
按照学校要求提交毕业设计（论文）的印刷本和电子版本；学校有权保存毕业设计（论文）的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务；学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文；在不以赢利为目的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。
作者签名：
日 期：
学位论文原创性声明
本人郑重声明：
所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。
除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。
对本文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。
本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。
作者签名：
日期：
年月日
学位论文版权使用授权书
本学位论文作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。
本人授权 大学可以将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。
涉密论文按学校规定处理。
作者签名：
日期：
年月日
导师签名：
日期：
年月日
注意事项
1.设计（论文）的内容包括：
1）封面（按教务处制定的标准封面格式制作）
2）原创性声明
3）中文摘要（300字左右）、关键词
4）外文摘要、关键词
5）目次页（附件不统一编入）
6）论文主体部分：
引言（或绪论）、正文、结论
7）参考文献
8）致谢
9）附录（对论文支持必要时）
2.论文字数要求：
理工类设计（论文）正文字数不少于1万字（不包括图纸、程序清单等），文科类论文正文字数不少于1.2万字。
3.附件包括：
任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）。
4.文字、图表要求：
1）文字通顺，语言流畅，书写字迹工整，打印字体及大小符合要求，无错别字，不准请他人代写
2）工程设计类题目的图纸，要求部分用尺规绘制，部分用计算机绘制，所有图纸应符合国家技术标准规范。
图表整洁，布局合理，文字注释必须使用工程字书写，不准用徒手画
3）毕业论文须用A4单面打印，论文50页以上的双面打印
4）图表应绘制于无格子的页面上
5）软件工程类课题应有程序清单，并提供电子文档
5.装订顺序
1）设计（论文）
2）附件：
按照任务书、开题报告、外文译文、译文原文（复印件）次序装订
指导教师评阅书
指导教师评价：
一、撰写（设计）过程
1、学生在论文（设计）过程中的治学态度、工作精神
□优□良□中□及格□不及格
2、学生掌握专业知识、技能的扎实程度
□优□良□中□及格□不及格
3、学生综合运用所学知识和专业技能分析和解决问题的能力
□优□良□中□及格□不及格
4、研究方法的科学性；技术线路的可行性；设计方案的合理性
□优□良□中□及格□不及格
5、完成毕业论文（设计）期间的出勤情况
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
指导教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
评阅教师评阅书
评阅教师评价：
一、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
建议成绩：
□优□良□中□及格□不及格
（在所选等级前的□内画“√”）
评阅教师：
（签名）单位：
（盖章）
年月日
教研室（或答辩小组）及教学系意见
教研室（或答辩小组）评价：
一、答辩过程
1、毕业论文（设计）的基本要点和见解的叙述情况
□优□良□中□及格□不及格
2、对答辩问题的反应、理解、表达情况
□优□良□中□及格□不及格
3、学生答辩过程中的精神状态
□优□良□中□及格□不及格
二、论文（设计）质量
1、论文（设计）的整体结构是否符合撰写规范？
□优□良□中□及格□不及格
2、是否完成指定的论文（设计）任务（包括装订及附件）？
□优□良□中□及格□不及格
三、论文（设计）水平
1、论文（设计）的理论意义或对解决实际问题的指导意义
□优□良□中□及格□不及格
2、论文的观念是否有新意？
设计是否有创意？
□优□良□中□及格□不及格
3、论文（设计说明书）所体现的整体水平
□优□良□中□及格□不及格
评定成绩：
□优□良□中□及格□不及格
教研室主任（或答辩小组组长）：
（签名）
年月日
教学系意见：
系主任：
（签名）
年月日
1引言
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
3.1.1主控制器方案论证确定
方案三：
用AT89S52,
3.1.2超声波发射电路方案论证确定
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
3.1.3超声波接收及信号处理电路方案论证确定
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引脚图
3.1.4显示电路方案论证确定
3.1.5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
3.1.6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单片机I/O口分配表
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
A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
B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4-3LCD外部连接图
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内部工作原理图
（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4-2ISD1720主要引脚功能表
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4-3R2与录音时间关系
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
单片机地址单元分配表（表4-4）:
地址分配
用途
初始值
20H.0
LCD底色选择
00H
30H
超声波发送个数设定
00H
50H
距离个位缓冲区
00H
51H
距离十位缓冲区
00H
52H
距离百位缓冲区
00H
60H
即将播放起始语音低地址
无
61H
即将播放起始语音高地址
无
62H
即将播放结束语音低地址
00H
63H
即将播放结束语音高地址
00H
64H
ISD1720状态寄存器SR0低8位
无
65H
ISD1720状态寄存器SR0高8位
无
66H
ISD1720状态寄存器SR1
无
71H
LCD即将显示数据的起始横坐标
00H
72H
LCD即将显示数据的起始纵坐标
00H
表4-4单片机地址单元分配表
①软件系统总流程图（图4-5）：
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T0的计数值）
测出距离后结果将以十进制BCD码方式送到LCD显示管显示，看是否要语音报距。
一个流程之后又反回继续发送超声波……
4.2.2软件各功能模块的流程图设计及思路说明
（1）距离运算模块
①软件功能模块流程图设计（图4-6）：
图4-6距离运算流程图
②设计思路说明：
在系统中，根据超声波的发送与返回。
得到的只有时间大小，在运算模块中的任务就是把时间的大小转换距离的大小。
刚开始从定时器取时间大小T，该值可能是8位或是16位。
我们已知的是超声波的传播距离V=340m/s。
那么距离S=VT，返回的时间T单位是us,则有：
S=（C*T0）/2=170*T0/10000cm（其中T0为计数器T0的计数值）
但是，在89S51单片机中，高运算范围是8位，在此中，运算最大可能有24位的数值。
因此，需进行双字节运算。
首先，进行双字节的乘法，T*170（170是超声波发送加返回的速度）得出结
果是距离，单位是0.01mm。
其次。
进行双字节除法，要显示的单位是cm。
双字节的乘法得出来的是0.01mm
单位，需除以1000之后单位才是cm。
再次，进行双字节BCD码转换。
时间经过双字节的乘法，进行双字节除法之后得出来的距离表示方法是16进制，需转成十进制，让人更直观。
（1）显示模块
①软件功能模块流程图设计（图4-7）：
图4-7显示模块流程图设
②设计思路说明：
因为显示是用LCD液晶，无需进行动态刷新。
所以当距离缓冲区的内容改变时，LCD屏幕上的数据更新一下。
其它的显示数据，无需改变，它是48X84的点阵。
如果需
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