智能超声波测试系统的设计.docx

智能超声波测试系统的设计郭鹏 韩宇光 汪磊 张光忠 侯志鹏 （华东理工大学信息科学与工程学院，中国上海 202124）【摘要】本文介绍了一种基于AT89C51单片机的低成本、高精度、微 型化数字显示超声波测距仪的硬件电路和软件设计方法，该测试仪可 利用语音芯片ISD2590实现实时语音播报功能本设计结构简单，精 度可达1cm,有广泛的应用价值，可应用于中短距离的各种尺寸测量， 例如装修时的长度高度面积的测量，船舶行驶时是否偏离航道的判断关键词 超声波测距；单片机；语音模块；AT89C510 引言超声波测量是一种典型的非接触式的测量，使之能够在某些特定场合 或环境比较恶劣的环境下使用，如高速公路上快速行驶的汽车之间距 离的测量同时，超声波系统相比于其他非接触测距测系统，如红外 系统，雷达系统等，具有指向性强，能量消耗缓慢,对色彩、光照度， 电磁场不敏感的优点，且造价便宜，结构简单，易于操作基于上述 特点，超声波测距技术在生活中得到了极为广泛的应用，如倒车系统， 工地现场定位，井深测量等在超声波测距仪的使用过程中，有时会出现因光线太强等环境因素而 使LED显示屏显示的数据无法被操作者准确识别的情况，因而需要加 入语音播报模块，以确保超声波测距仪的正常使用。

1 超声波测距原理超声波测距的原理是获取超声波在空气中的传播速度，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，测距的公式表示为：D=l/2ct （式中D为 测量的距离长度；c为超声波在空气中的传播速度；t为测量距离传 播的时间差需要注意的是，当环境温度有较大波动或是精度要求较高时，需要进 行必要的温度补偿以减少误差，具体操作如下：（其中，t是空气介 质的温度，To=273.16°C）2 系统方案设计2.1 超声波测距系统的祖成本超声波测距系统系统的特点是利用单片机控制超声波的发射和对 超声波自发射至接收往返时间的计时整个系统由超声波发射电路， 接收电路，显示模块，语音模块等组成，电路整体结构框图如图1 所 示单片机选用AT89C51,经济易用，且片内有4K的ROM,便于编程 晶振部分采用 12MHz 高精度的晶振,在设计时晶振和瓷片电容应尽可 能靠近芯片，减少PCB板的分布电容，保证振荡器工作的稳定性，提 高系统的抗干扰能力在测量中还需要考虑两个参数：声速和发射脉冲个数声速部分在温 度变化较大时采用温度补偿发射超声波脉冲个数决定测距仪测量盲 区，影响测量精度，同时与信号发射能量有关。

发射脉冲个数少．可 提高测量精度，但减少了发射能量对接收回波不利脉冲个数过多会 增加测量盲区在设计中经过比较，选择发射5个40 kHz的脉冲方 波作为测量信号2.2 硬件电路设计2.2.1 超声波发射电路如图2所示，发射电路主要由反相器74LS04与超声波发射换能器T 组成压电超声换能器是利用压电材料的压电效应制成，极化后的压 电材料在外加电场的作用下会发生机械形变称之位逆压电效应反之 压电材料的机械形变也会产生电压，即为正压电效应利用逆压电效 应可以把高频电压转变为高频机械振动从而产生超声波，这时它是一 个超声波发生器在工作时，单片机P1.7端口输出40kHz方波信号，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推挽形式将方波信号加到超声波换能器的两端 通过逆压电效应产生超声波并提高超声波的发射强度输出端采用两 个反相器并联以提高驱动能力，上拉电阻R10和R1l不仅可以提高反 相器74LS04输出高电平的驱动能力并且可以增强超声波换能器的阻 尼效果．缩短自由振荡的时间即整体过程可总结为信号经过反相器 进行功率放大达到超声波发射器,进而电压转化成超声波信号在空气中传播。

2.2.2 超声波接收电路如图 3 所示为超声波接收电路由于超声波在空气中的传播过程中是 有衰减的，如果距离较远，那么超声波接收电路所接收到的超声波信 号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大而且放大的倍数 也要比较大接收电路基于芯片CX20216A,它是一款红外线检波接 收的专用芯片，具有很好的灵敏度和较强的抗（下转第1 13 页）（上 接第 20 页）干扰能力,可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤 波、峰值检波、整形、比较等功能CX20216A芯片的前置放大器具 有自动增益控制的功能,当测量的距离比较近时,放大器不会过载； 而当测量距离比较远时,超声波信号微弱,前置放大器就有较大的放 大增益效果在电路设计过程中，适当更改电容C4的大小，可以改 变接收电路的灵敏度和抗干扰能力在接收过程中，接收的回波信号先经过前置放大器和限幅放大器,将 信号调整到合适幅值的矩形脉冲，再经滤波和整形后，送给P3.2引脚 一个低电平产生中断2.2.3 语音模块电路图 4 语音播报电路如图4所示为语音模块电路，主要由专用语音芯片ISD2590及外围电 路构成，具有抗断电、音质好、使用方便、无需专用的语音开发系统 等优点，而且内部集成有音频功率放大器，无需外接音频功放就能直 接驱动扬声器。

ISD2590在工作时，提前把语音元素录入语音元素库中，存储在片内 的EEPROM中本系统采用如下方式设置信息段的起始地址：根据每 一字段的内容多少直接分配地址单元，一般按每lS说3个字计算， 60 S可以说180个字然后再根据ISD2590的地址分辨率，计算出 语音段所需的地址单元数之后，采用分段录音，分段调用播放的方 式，0~9占用10段存储空间，只要将每一段空间的首地址集合起来， 编成地址表存放在单片机中，即可通过软件查表的方式清晰地读出测 得的数值3 小结本设计针对传统测距方法的缺陷和不足.提出基于单片机AT89C51的 超声波的非接触测量方法,并加以改进和创新经验证该系统功能良 好，可测量十米以内的距离，测距精度可以达到lcm引入语音芯片 ISD2590之后，能够非常真实地再现语音效果，有数码与语音两种数 据输出方式后变得更加人性化产品抗干扰能力强，反应速度快，经 过系统扩展和升级，可以应用到汽车倒车建筑施工工地以及一些工业 现场的物体位置的测量及中远距离监测，具有广泛的应用前景参考文献[1] 谢维成，杨加国.单片机原理与应用及C51程序设计[M].北京： 清华大学出版社,2006.[2] 李建忠.单片机原理及应用[M].西安：西安电子科技大学出版 社,2002.[3] 吴银凤，刘光聪.红外线接收电路Cx20216的应用[J].电气时 代,2003(9).[4] 肖海荣，王凤瑛,杨金清，等.基于AT89C51和ISD2560的录放音 系统设计J].微计算机信息,2004(1).[ 5 ]晗晓，袁慧梅.单片机系统的印制板设计与抗干扰技术[ J ] .电子 工艺技术，2004.[6]楼然苗，51系列单片机设计实例[M].北京:北京航空航天大学 出版社，1999.[ 7 ]雷建龙.基于单片机的超声波液位测量仪 [J] .仪表技术与传感 器，2004(6).[责任编辑：杨玉洁]。