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1、 西华大学毕业设计说明书 超声波语音测距仪的设计超声波语音测距仪的设计 摘摘 要：要：超声波具有指向性强、能量消耗缓慢、传播距离较远等优点，所以， 在利用传感器技术和自动控制技术相结合的测距方案中，超声波测距是目前应用较 为普遍的一种。本设计介绍了一种基于单片机实时语音播报，带有 LED 数码显示功 能的脉冲反射式超声波测距系统。利用 AT89C51 定时功能来计算超声波在媒质中的 传播时间，进而计算出超声波在媒质中的传播距离。超声波测距仪硬件电路的设计 主要包括单片机系统及显示电路、温度检测电路、语音电路、超声波发射电路和超 声接收波检测电路六部分。该系统电路设计合理、工作稳定、性能良好、检
2、测速度 快、计算简单、易于做到实时控制，并且在测量精度方面能达到工业实用的要求。 关关键词键词： ：超声波，测距系统，单片机，温度，LED，语音 Abstract: Ultrasonic has a strong point、Slow energy consumption、Long Distance Transmission Etc., so the use of sensor technology and automatic control technology in the program combines distance, ultrasonic distance measurement
3、 is a more general use. This design introduces a real-time voice broadcast based microcontroller with LED digital display of pulse reflection type ultrasonic ranging system. Using AT89C51 timing function to calculate ultrasound in medium transmission time, then Calculate ultrasound in medium transmi
4、ssion distance. Ultrasonic range finder including hardware design is display circuit and microcontroller system、voice circuit、ultrasonic wave transmitter and ultrasonic receiver detection circuit six parts. The system circuit design is reasonable、stable、good performance、test speed、and calculation is
5、 simple and easy to do real-time control and measurement precision can be achieved in the practical requirements of industry. Keywords: Ultrasonic，Ranging system，MCU，Temperature，LED，Voice 西华大学毕业设计说明书 目目 录录 1 1 前言前言 1 1 2 2 整体方案设计整体方案设计 3 3 2.1 方案论证 3 2.2 方案比较 4 3 3 单元模块设计单元模块设计 5 5 3.1 各单元模块功能介绍及电路设
6、计 5 3.1.1 电源电路模块设计5 3.1.2 超声波发射电路设计7 3.1.3 超声波接收检测电路设计8 3.1.4 温度检测电路设计9 3.1.5 语音电路设计11 3.1.6 显示模块电路设计12 3.1.7 系统控制模块设计13 3.2 电路参数的计算及元器件的选择 14 3.2.1 放大电路14 3.2.2 检测电路14 3.2.3 显示电路14 3.3 特殊器件的介绍 15 3.3.1 AT89C51 器件介绍.15 3.3.2 LM358 器件介绍.17 3.3.3 DS18B20 器件介绍.18 3.3.4 ISD2590 器件介绍.20 3.3.5 LM386 器件介绍.
7、23 3.3.6 LM567 器件介绍.24 4 4 软件设计软件设计 2626 4.1 软件设计原理及设计所用工具 26 4.2 画出主要软件设计流程框图 27 5 5 系统的软硬件的调试系统的软硬件的调试 3030 5.1 调试软件介绍 30 5.1.1 ISIS 简介.30 5.1.2 Keil C51 简介.30 5.2 硬件调试 31 5.3 软件调试 31 5.3.1 超声波发射电路仿真31 5.3.2 放大电路仿真32 5.3.2 超声波测距显示仿真33 5.4 硬件软件联调 34 西华大学毕业设计说明书 6 6 系统功能、指标参数系统功能、指标参数 3535 6.1 系统指标
8、35 6.2 系统功能及指标参数分析.35 7 7 结论结论 3636 8 8 总结与体会总结与体会3838 9 9 致谢致谢3939 1010 参考文献参考文献4040 附录附录 4141 附录一 超声波测距电路原理图 .41 附录二 程序清单 .42 附录三 外文文献 .48 第 1 页 1 1 前言前言 超声波是指频率在人耳听不见的声波。正常人的听觉可以听到 20HZ-20KHZ 的声波， 低于 20HZ 的声波称为次声波或亚声波，超过 20KHZ 的声波称为超声波。超声波是声波 大家族中的一员，和可闻声本质上是一致的，它们的共同点都是一种机械振动，通常 以纵波的方式在弹性介质内传播，是
9、一种能量和动量的传播形式，其不同点是超声频 率高，波长短，在一定距离内沿直线传播具有良好的束射性和方向性。 随着社会的发展，传统的测距方法在很多场合已无法满足人们的需求，例如在井 深、液位、管道长度测量等场合，传统的测距方法根本无法完成测量任务。还有在很 多要求实时测距的情况下，传统的测距方法也不能很好地完成测量任务。于是一种新 的测距方法非接触测距应运而生。目前，非接触式测距仪常采用超声波、激光和 雷达。但激光和雷达测距仪造价偏高，不利于广泛的普及应用，在某些应用领域有其 局限性。相比之下，超声波方法具有明显突出的优点： （1）超声波的传播速度仅为光波的百万分之一，并且指向性强、能量消耗缓慢
10、， 因此可以直接测量较近目标的距离； （2）超声波对色彩、光照度不敏感，可适用于识别透明、半透明及漫反射差的物 体（例如玻璃、抛光体）； （3）超声波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 与集成化,并且可以实时控制。 超声波用于非接触测量，是通过计算超声波在被测物体和超声波探头之间的传输 时间来测量距离的，对被测目标无损害。而且超声波传播速度在相当大范围内与频率 无关超声波的这些独特优点越来越受到人们的重视。因为这种方法是一种非接触式 的测量使之能够在些特定场合或环境比较恶
11、劣的环境下使用。例如有毒、有腐蚀性 化学物质的液面高度或高速公路上快速行 驶的汽车之间距离的测量等。 随着科学技术的快速发展，超声波将在测距仪中的应用越来越广。但就目前技术 水平来说，人们可以具体利用的测距技术还十分有限，因此，这是一个正在蓬勃发展 而又有无限前景的技术及产业领域。展望未来，超声波测距仪作为一种新型的非常重 要有用的工具在各方面都将有很大的发展空间，它将朝着更加高定位高精度的方向发 展，以满足日益发展的社会需求，如声纳的发展趋势基本为：研制具有更高定位精度 的被动测距声纳，以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需要；继续发展采用低频线谱检 测的潜艇拖曳线列阵声纳，实现超远程的被动探测和
12、识别；研制更适合于浅海工作的 潜艇声纳，特别是解决浅海水中目标识别问题；大力降低潜艇自噪声，改善潜艇声纳 第 2 页 的工作环境。无庸置疑，未来的超声波测距仪将与自动化智能化接轨，与其他的测距 仪集成和融合，形成多测距仪。随着测距仪的技术进步，测距仪将从具有单纯判断功 能发展到具有学习功能，最终发展到具有创造力。在新的世纪里，面貌一新的测距仪 将发挥更大的作用。 超声波测距的原理是：测取超声波从发射地至目的地传输所经过的时间 T，通过公 式下式求出距离 S：S=CT/2 式中，C 为超声波传播的速度。超声波传播的速度与环境 温度 t 有关，其关系可由下式来式描述：C=331.5+0.607t
13、从上式可知，超声波传播的 速度随温度的升高而变快，要精确的测量某两个物体之间的距离，需检测当时的环境 温度。 本系统以 AT89C51 单片机为主控制器。单片机发出 40kHZ 的信号，经放大后通过 超声波发射器输出；超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电 路进行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t，系统采用了温度传感器 DS18B20 来检测环境温度，计算出超声波在测量时的实际传播速度，提高系统的测量精 度。为了减小偶然因素对测量结果的影响，系统每次测距可连续测量 3 次，然后取平 均值作为本次测量的结果。将所得的时间和温度由软件判别、计算，得出所测距离通 过 L
14、ED 显示和语音播报。语音采用“直接模拟存储技术”分段记录在 ISD2590 的 EEPROM 存储器中。当系统计算出测量结果时，通过软件查表的方式查出与测量值相对 应的语音首地址，送 ISD2590 的地址输入端，ISD2590 输出的语音信号送入 LM386 功率 放大，最后由扬声器播报测量值。 第 3 页 2 2 整体方案设计整体方案设计 本设计的整体思路是：发射器发出的超声波以速度 在空气中传播，在到达被测 物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为 t，由 s=vt/2 即可算出被测物体的 距离，并通过 LED 显示和语音播报出来。 2.12.1 方案论证方案论证 设计中采用了两个
15、方案：方案见方案一和方案二。 方案一：利用分立模块的超声波测距仪 系统包括超声波测距模组、语音模组、LED 显示模组、驱动模组控制模组及电源五 部分。超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，如图 2.1 所示。超声波的发 射受主控制器控制（如图 2.1 所示）；超声波换能器谐振在 40KHz 的频率，模块上带 有 40KHz 方波产生电路。语音模块由 ISD2590 语音集成模块组成。显示模块是一个 8 位段数码显示的 LED；测量结果的显示用到三位数字段码，格式为 X 点 XX 米，同时还 用两位数字段码显示数据的个数。电源采用 220V 的 AC 电源输入，经变压滤波稳压管 后得出 5
16、V 的电源供系统各部分电路使用。 图 2.1 超声波测距模块组硬件框图 优点：具有历史数据存储功能、出错管理功能。 缺点：能测的最小距离比较长，不能实现双向测距，电路复杂性能稳定性不高。 方案二：基于 AT89C51 单片机的超声波测距仪 单片机发出 40kHZ 的信号，经放大后通过超声波发射器输出，超声波发射器向某 一方向发射超声波，在发射的同时开始计时 ，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物 就立即返回来，超声波接收器将接收到的超声波信号经放大器放大，用锁相环电路进 行检波处理后，启动单片机中断程序，测得时间为 t，再由软件进行判别、计算，得出 第 4 页 距离数并送 LED 显示。系统主要有几下部分组成（如图 2.2 所示）：LED 显示模块、语 音模块、单片机系统、超声波发射模块、超声波接收模块、放大模块等六大模块组成。 显 示 模 块 语 音 模 块 单 片 机 处 理 单 元 发射电路 发 射 探 头 目 标 物 检测电路放大电路 接 收 探 头 温度测量电路 图 2.2 超声波测距仪原理框图 优点：双向测距，精度高，功耗低。 在电路中我们采用单片机芯片它
