超声波测距离加语音报距毕业设计.docx

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超声波测距离加语音报距毕业设计

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

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

MOSO脚，数据在时钟下降沿输出SPI接口的串行输出

MOSI脚，数据在时钟上升沿输出SPI接口的串行输入

SCLK脚，SPI接口的时钟，由主控芯片产生时钟

SS脚，片选端，低有效

MIC+脚，话筒差分信号正向输入端

MIC-脚，话筒差分信号负向输入端

SP-脚，喇叭输出负端

SP+脚，喇叭输出正端

VOL脚，音量调节端

FT脚，直通选择端。

SPI时无效

PLAY脚，播放当前曲

REC脚，录音控制端

ERASE脚，擦除控制端

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）

100

120

160

录音时间（S）

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。

如果需要在特定的位置上显示特定的数据时，只需准确给定它的横坐标和纵坐标的值，然后调用要显示的内容，内容就加载到DDRAM中,接着就进行显示。

以下是距离更新的子程序：

DPLY_JL:

MOVCOL,#32；给定纵坐标

MOVROW,#2；给定横坐标

MOVA,50H；距离百位

CALLLCD_NUM；调用写入数据子程序

MOVA,51H；距离十位

CALLLCD_NUM

MOVA,52H；距离个位

CALLLCD_NUM

RET

LCD串口总协议图（图4-8）：

图4-8LCD串口总协议图

（3）语音模块

①软件功能模块流程图设计（图4-9）：

图4-9语音模块流程图

②设计思路说明：

ISD1720的SPI协议格式如下图（图4-10）：

图4-10ISD1720的SPI协议格式图

ISD1720内部语音地址分配表（表4-5）：

起始地址

结束地址

存放内容（相应语音）

11H

13H

14H

16H

17H

18H

19H

1AH

1BH

1CH

1DH

1EH

1FH

20H

22H

23H

25H

26H

27H

28H

29H

2EH

厘米

2FH

30H

百

31H

32H

十

表4-5语音地址分配表

ISD1720的通信是SPI方式，所先写个SPI通信功能程序（见子程序SENDDATA）。

每次要写命令或读取状态直接调用，使用时方便。

/************************************************************************

*函数原型:

SENDDATA;

*功能:

SPI串口数据发送，发送数据，一次一个字节，

*待发送数据存在R2,读取接收ISD1720芯片移出的一个字节,接收

*存在R2

***********************************************************************/

SENDDATA:

MOVR4,#8

SETBSCLK

CLRSS

NOP

LOOP1:

CLRSCLK

CLRC

CALLDELAY_30ns

MOVA,R2

RRCA

MOVA,R2

MOVMOSI,C

JNBMOSO,LOOP2

MOVA,R2

ORLA,#10000000B

MOVR2,A

LOOP2:

SETBSCLK

CALLDELAY_30ns

DJNZR4,LOOP1

CLRMOSI

RET

每次计算出来的距离值存在对应缓冲区内，如果需要时需用语音读出来。

在语音芯片，它能定点播放（从特定的地址开始播放到特定的结束地址），所以需知道它各个语音的存放地址和结束地址。

在软件设计上，把各语音段的地址制作成一个表，每个语音有两个地址，一个起始地址，一个结束地址。

所以，把表作成双字节表（见程序表TAB）。

比如语音“0”它的起始地址为11H，结束地址为13H；语音“1”它的起始地址为14H，结束地址为17H。

TAB:

DB11H,13H,14H,16H,17H,18H,19H,1AH,1BH,1CH,1DH,1EH,1FH,20H,22H,23H,25H,26H,27H,28H,29H,2EH,2FH,30H,31H,32H

在设计上，能测到的距离是三位的数字，它把距离数据存在缓冲区内，包括各位有出现零。

语音每次播报的内容来自距离缓冲区。

如果遇到有效数只有一位或两位时，此时前面有两个或一个零。

在语音播报时，需让百位或十位的零自动去掉,读出有效的距离。

还有，如果是三位有效值或两位有效值，但中间或个位为零，在我们习惯中，中间为零时，通常不加“十”的语音。

另外，如果是三位有效值或两位有效值，个位为零时，在习惯中，就不读出零的语音。

，在本软件设计上也实现这两点。

（4）中断服务子程序

①软件功能模块流程图设计（图4-11）：

图4-11中断服务子程序流程图

②设计思路说明：

当进入中断时，必须马上关闭定时器。

避免定时器继续计时，让时间误差更大，导致结果误差加大。

接着取定时器定时的时间，该时间通过运算得到距离结果。

为了有余波的干扰再次进入中断，在外部中断服务子程序中关断外部中断子程序。

5安装与调试

5.1安装调试过程

本系统需实现部分分硬件与软件部分，软件是根据硬件的方案而编写。

在硬件，先确定各个模块所采用的方案然后作出各个方案的电路原理图。

调试各各模块功能是否实现。

如果实现了，做出各个模块结合在一起的主控电路原理图和各模块的功能电路图（本设计语音模块与总电路不同于一个电路板上）。

画完之后，做出PCB图时，安装两个超声波探头时应保持两个探头中心轴线平行相距4-8CM。

其它元件无特殊要求。

检查PCB图与电路原理图是否一致。

检查无误之后做出电路板焊上各个元件。

焊完之后，对照图看是否有焊错，确认无误后通额定的电压（输入端输入12V左右）。

然后用万用表测7809和7805，看它们的输出端是否分别为9V、5V。

如果是，电源电路正常。

保输入电压一段时间，检查各个元件是否正常（比如是否发热）。

各个模块安装完成之后，在输入端接上12左右的电压。

用示波器观察单片机18、19端是否有12MHZ波形。

如果有，单片机正常工作。

在LM393的第3端接入5V的电平，用示波器观察第1端是否有幅度9V波形。

如果有，调节滑动变阻器RT1、RT2，使1端输出频率为40KHZ，且高低电平时间相等。

频率调完成之后，用平滑坚硬的东西挡在两个超声波探头前，距离大约10cm左右。

此时，用万用表测CX20106A第7端的电平，看是否为低。

如果是，接着第3端接入低电平，看1端是否没波形输出。

如果是，此时，用万用表测CX20106A第7端的电平，看是否为高。

如果以上皆是，则超声波发送与接收电路都可以。

在显示上，检查一下单片机P23-2.7接到NOKAI5510LCD上的线是否正确。

如果正确，主控电路板电路正常。

当主控电路板正确后，检查语音模块。

先通过独立按键模式下是否有实现相应的功能。

如果有，用独立按键的方法录下各个需要的语音，数字语音“0、1、2、3、4、5、6、7、8、9”和“百、十、厘米”语音。

录下之后，用按键试播放语音，看语音是否齐全与音质如何。

如果可以，该电路正常。

硬件安装调试完成。

硬件安装调试完成之后。

需进行软件编写调试。

用KEIL软件

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