便携式超声波测距仪.docx

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便携式超声波测距仪

便携式超声波测距仪

摘要

本设计以Philips的低功耗单片机LPC922为核心控制器件，使用音频译码集成块LM567和低功耗集成运放LM358制作了放大鉴频电路，并以CD4051模拟开关实现放大倍数的切换；采用CD4069反相器提高信号发射功率；结合ISD4002语音芯片所具有的语音处理功能实现语音播报距离；使用温度传感器DS18B20，设计的一种带有温度补偿的便携式超声波测距仪，设计中充分使用单片机的数学运算和控制功能，使系统实现了下限报警，并具有较高的测量精度和较短的反应时间。

实现了最大测距5.3m、测量盲区0.05m、测量误差

0.03m、系统平均工作电流成功的控制在8.9mA以内、数据更新速度小于1s。

成功完成了题目的全部基本要求和发挥部分，并有自己的特色发挥，整体上保证了设计任务的超额完成。

关键词：

超声波测距低功耗P89LPC922单片机语音播报低压差稳压器

Abstract

Thedesignoflow-powerPhilipsLPC9222microcontrollerasthecorecontroldevices,theuseofLM567andlowpowerconsumptionintegratedoperationalamplifierLM358producedLargerfrequencycircuits,andtoachievegainCD4051switchusedtoimprovethesignal-RP-CD4069TransmittingpowerinconjunctionwiththeISD4002voicechipwiththevoiceprocessingvoicebroadcastfromtheuseoftemperaturesensorsDS18B20,designedwithatemperaturecompensationportableultrasonicrangefinder,thedesignofthefulluseofSCMmathandcontrolFunction,allowingthesystemtoachieveaminimumlevelalarm,andhaveahighaccuracyandashorterreactiontime.Toachievethegreatestrange6m,blindspotmeasuring0.05m,measurementerror0.03m,anaverageofsystemcontrolinthecurrentsuccessoflessthan8.9mA,dataupdaterateoflessthan1s.Thesuccessfulcompletionofthetopicsofallbasicrequirementsandplayapartandhavetheirowncharacteristicsplay,onthewhole，ensurethattheexcessofthedesigntaskcompleted.

Keywords:

UltrasonicRangingLow-powerP89LPC922VoicebroadcastLDO

一、总体设计思路

本系统包含电源、键盘、显示、语音播报、温度传感器、MCU及超声波测距模块电路的设计。

总体结构框图设计如下所示。

图1总体结构框图

二、方案论证、比较、与选择

根据题目要求，我们分以下几个重要部分进行方案的比较、论证与选择。

1.控制器方案的选择

方案一：

普通51系列单片机，如AT89C52，3个定时器，但功耗大，工作电流至少8毫安。

方案二：

采用Philips系列的低功耗单片机LPC922，3V供电，掉电模式下工作电流只有90

，20脚DIP封装，内部资源丰富，单片机编程实现简单，能满足软硬件功能要求，功耗低。

基于上述分析：

拟采用方案二。

同时使用2MHz的晶振设计振荡电路使得单片机最大工作电流在2mA以下并满足测距的要求。

2.稳压电源方案选择

方案一：

普通基准源直接分压输出。

这种基准源有很多，市场上容易买到，如TL431,LM336，MC1403等。

但是这种方式带载能力差，功耗高。

方案二：

采用三端集成稳压器LM7805，搭配多级电容滤波，滤波电路简单，负载直流电压较高，纹波也较小，电路简单；它的缺点是输出特性较差，集成稳压器消耗能量大，且对要求输入的电压较高，4节5号干电池难以满足要求。

方案三：

采用低压差线性稳压器（LDO）HT7150，该稳压器输入输出电压差最小能达到40mV下、静态功耗电流为1.5uA，为使系统工作电流控制在10mA以内提供了良好的条件。

综上所述，选择方案三。

3.超声波发射及驱动电路方案选择

方案一:

发射电路采用555多谐振荡器组成，可精确地将振荡器输出频率调制到40kHz，且电路简单，由于采用硬件输出波形比由软件直接产生好，但是555多谐振荡器工作电压范围在4.5V～18V间，最小工作电流4.5mA，功耗大。

方案二:

采用单片机在I/O口上产生40khz的方波，再经CMOS低功耗型器件CD4069反向器进行功率放大，在超声波发射头上产生正负5V的电压，可提高发射强度，增加测量距离，而且省电。

综合考虑本系统的低功耗以及远距离测量要求，拟选用方案二。

4.超声波接收鉴频部分选择

方案一：

用运算放大器设计40khz左右的带通滤波器，使得它只对40khz附近的频率敏感，原理简单，但电路实现复杂。

方案二：

采用集成音频译码器LM567构成琐相环电路，它既可以设定中心频率以及频带宽度，也使用方便，且外围器件简单。

综上所述，选用方案二。

5.显示部分选择

方案一：

数码管显示，显示稳定，亮度效果好，但其需要的电流较大。

方案二：

12864液晶显示，能够显示较多的字符信息和图片，但工作电流也需要几毫安。

方案三：

使用长沙太阳人电子有限公司的新型段式液晶SMS0408D。

能显示4位数字，其工作电压为3V时，消耗电流只有20uA，且二线式串行接口，能够节省单片机I/O口。

系统需要显示4位数据，且需要低功耗器件，故选方案三可以满足要求。

6.语音播报部分选择

方案一：

单片机产生语音，但播音单调，不能播放人声。

方案二；使用专门的低功耗语音芯片ISD4002，自行录音、放音，使用简便，且低功耗，也可进入掉电状态。

考虑系统的功耗及播报语音，选择方案二。

三、系统总体设计

本系统由单片机IO口产生40khz方波，再由超声波传感器发射头发出，接收头收到后产生电信号，由于接收到的mv级甚至uv级信号，所以要经过LM358放大后，然后经过LM567鉴频。

若收到的是40khz的信号，则LM567输出端8脚由高电平跃变为低电平，作为中断请求信号，送至单片机处理。

然后可通过计算从发射到接收中断的时间和（声速/2）的乘积得出所测距离，再进行多组数据数字滤波之后，得出一个稳定值送SMS0408D显示，这时也可通过按键控制语音芯片进行语音播报。

系统结构框图：

图2系统结构框图

四、理论分析与计算

1、距离计算

超声波测距系统，是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差

，然后由

求出距离，式中V为超声波声速。

由于超声波属于声波范围，其波速V与温度T有关，在测距准确度要求较高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。

当已知现场环境温度为T时，超声波的传播速度与温度的关系为

。

这样，通过测得超声波发射和接收回波的时间差

和外界温度T，就可通过公式

算得距离。

2、鉴定频率（LM567）

本系统使用的鉴频芯片是美国国家半导体公司的解码集成电路LM567，特点是振荡频率可以在0.01Hz~500kHz连续变化，与外接定时器件R1C1的关系式为：

，脚1输出滤波、2环路滤波其外接滤波电容C2、C3。

LM567作为锁相环路解码器，即当从脚3输入的信号的频率在

附近的带宽BW范围内时信号被捕捉到，从脚8输出低电平（未捕捉时为高电平）。

带宽BW可由下式计算：

式中，Ui为输入信号的有效值（mv），u<200mV。

C2为滤波电容（单位是uF），调节它可调节带宽。

由于我们使用的是40khz的传感器，所以将LM567的中心振荡频率设为40khz,所以可取电容C1=0.01uf,R1取10k电位器，可以通过调节电位器获得40khz的振荡频率。

关于带宽，由于我们由软件产生的方波与标准的40khz方波还有一定的误差，以及超声波在传播过程中会有衰减，所以我们定带宽为38khz-42khz。

经过计算，取输出滤波C1=0.01uf,环路滤波C2=0.001uf。

3、复合滤波

本系统的一大亮点就采用复合滤波，很好的解决了由于各种意外因素造成的对测量值的影响，先对采样回来的N个数据限幅滤波，取N个数的平均值，再与N个数据进行比较，若超过平均值一定的限度则去掉这个数据，最后再对余下来所有的数据求平均值，然后再进行RC数字低通滤波所测的数据。

经过这样滤波之后，可以起到抑制干扰和稳定显示值的作用。

五、电路与程序设计

1、发射驱动电路：

采用6反向器CD4069构成的驱动电路，加在发射传感器的两端，加强发射强度。

如图3所示。

图3发射驱动电路

2、接收处理电路：

传感器接收的信号经LM358三级共1500倍放大之后送入LM567鉴频。

如图4所示

图4接收处理电路

3.温度测量电路：

由于超声波属于声波，会因环境温度不同，导致声速不同，从而影响测量精度，所以要对声速进行温度补偿，而且温度是日常生活经常需要知道的量，本系统采用DS18B20温度传感器测温。

图5温度测量电路

4.语音播报电路：

通过单片机控制语音芯片，输出音频信号经放大器LM386放大，再驱动喇叭，播报所测的距离。

按图6接法，LM386放大倍数是20倍。

图6语音播报电路

5、电源电路：

本系统采用4节5号碱性干电池供电，先用LDO芯片HT7150稳压到5V给系统其他器件供电，再将5V通过R1180X281低压差芯片转换成3V电压给P89LPC922供电，

图7电源电路

6、主要软件设计及流程图

图8流程图1

图9流程图2

本系统特别增加了下限报警功能，当测量到的距离小于设定的下限时，会播音“请注意，超下限”的提醒。

下限值的设定可以通过切换功能键到下限设定模式，再通过加减键以5cm为单位加减。

增加此功能是鉴于在很多场合，距离越近越不好，超过一定限度则会造成危险，如汽车倒车系统。

六、测试结果分析

测试工具：

温度计、温度与声速关系表、10m卷尺，档板。

测试方法：

使用10m卷尺测量超声波探头与被测物之间的距离，与显示值进行比较。

由于本系统留有测电源电流的端子，只需串进电流表就可以测量整个系统的工作电流。

整个系统本着可靠的原则完成了本设计任务。

在不断测试调整下不仅完成了题目要求的基本指标，而且有了很大的发挥。

现将题目要求指标和实际指标列举如下：

1.距离测量

实际距离（m）

测量值（m）

最大绝对误差（m）

0.05

0.06

0.01

0.10

0.09

0.01

0.20

0.21

0.01

0.40

0.40

0

0.60

0.59

0.01

0.80

0.82

0.02

1.00

1.02

0.02

1.50

1.53

0.03

2.00

2.02

0.02

2.50

2.51

0.01

3.00

3.02

0.02

3.50

3.50

0

4.00

3.99

0.01

4.50

4.51

0.01

5.00

5.03

0.03

5.50

5.54

0.04

根据题目要求：

测量距离大于5m，测量误差小于0.05m。

当测量距离小于1m时，测量误差小于0.03m，盲区在0.10m以内。

而由上表数据可知，本系统满足测量距离最大6m,测量误差小于0.04m,当测量距离小于1m时，测量误差最大0.02m。

而且盲区减小到0.05m。

2.当测距仪工作在连续测量模式时，各指标参数如下：

当前温度：

270C

指标

系统工作电流（mA）

数据更新速度（s）

要求值

<10

<1

实际值

8.90

0.8

3.语音播报测试

当显示值为0.99时，按语音播报键后，播报0.99米，播报正确，满足要求。

六、结论

本设计成功完成了题目的全部基本要求和发挥部分，实现了最大测距6m、测量盲区0.05m、测量误差

0.02m、系统平均工作电流成功的控制在8.9mA以内、数据更新速度小于1s。

并有自己的特色发挥，增加了温度测量及显示，并可用于补偿声速，还特别增加了下限报警功能，整体上保证了设计任务的超额完成。

七、总原理图

便捷式超声波测距仪操作说明书

布局示意图

便携式超声波测距仪操作说明：

S1K1K2K3

连续测量点动按键功能按键语音播报

点动测量下限加5cm三种模式下限减5cm

通过功能按键K2切换不同的工作模式：

1.测距模式：

若自锁键S1按下，则为点动测量模式，此时每次按一下K1就测量一次。

若自锁键S1弹起，则为连续测量模式，自动更新测量当前距离。

在测距模式是，无论S1键是如何状态，按K3则会播报当前的距离。

2.温度测量模式：

在此模式下不断测量当前温度。

3.下限值设定模式：

此时可以通过K1（+），K3（-）以5cm为单位，来增加或减少下限设定的值，当测到的距离小于下限值，则会发出报警语音“请注意，超下限”。