超声波测距的语音提示倒车报警系统设计.doc

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1、本科毕业设计（论文）( 2011届 ) 题 目：超声波测距语音提示倒车报警系统设计 学 院： 行知学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 王建波 学号： 指导教师： 马世平 职称： 教授 合作导师： 职称： 完成时间： 20 11 年 4 月 10 日 成 绩： 第 31 页浙江师范大学本科毕业设计(论文)正文目 录摘 要1Abstract11 引言21.1 超声波测距国内外研究现状、发展动态21.2 超声波检测发展综述32 超声波测距相关技术介绍和分析62.1 超声波测距原理62.2 超声波测距精度分析72.2.1 温度对声速影响72.2.2 回波检测对时间影响72.2.3 发射和反射之间

2、夹角对测距影响73 系统硬件介绍73.1 单片机介绍73.2 LCD1602液晶83.2.1 LCD1602主要技术参数：83.2.2 LCD1602引脚功能93.3 74LS04芯片介绍93.4 CX20106介绍103.5 ISD4004语音芯片介绍114系统硬件电路设计124.1 总体方案设计124.2 模块论证方案13发射、接收模块134.2.2 显示模块134.2.3 语音模块144.3 硬件电路设计144.3.1 发射电路144.3.2 接受电路14语音播报电路154.3.4 复位电路154.3.5 时钟电路154.3.6 降压电路165系统软件设计165.1 超声波测距算法165

3、.2 主程序及流程图17超声波发射子程序18超声波接收中断程序18语音播报子程序196结束语19参考文献20附录一（电路原理图）21附录二（电路PCB图）21附录三(实物图)22附录四（程序）22超声波测距语音提示倒车报警系统设计数理及信息工程学院 电子信息工程专业 王建波（07226140）指导教师：马世平（教授）摘 要：随着社会经济发展交通运输业日益兴旺，汽车数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免人身伤亡与经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济汽车防撞预警系统势在必行，超声波测距法是最常见一种距离测距方法，本文介绍就是利用超声波测距法设

4、计一种倒车防撞报警系统。论文内容是基于AT89C51单片机倒车防撞语音播报系统设计，主要是利用超声波特点与优势，将超声波测距系统，AT89C51单片机与ISD4004语音模块结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机倒车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合方法，具有模块化与多用化特点。论文概述了超声波检测发展及基本原理，阐述了超声波传感器原理及特性。对于系统一些主要参数进行了讨论，并且在介绍超声波测距系统功能基础上，提出了系统总体构成。对超声波接发收电路与语音提示电路设计，并对系统各个设计单元原理进行了介绍。对组成各系统电路芯片进行了介绍，并阐述了它们工作原理。论文介绍了系统软件结构，通过

5、编程来实现系统功能。最后，通过对系统误差分析，给出了系统改进方案。关键词：超声波；单片机；语音提示Ultrasonic rangings voice prompt back-draft alarm systems designName: WANG JIAN BO Director: MA SHI PING(Dept.of Science &Engineering，Zhejiang Normal University )Abstract: Is day by day prosperous along with social economys development transportations

6、hipping industry, automobiles quantity climbs in the first mate. The traffic congestion conditionday by day is also serious, the collision event occurred repeatedly, has caused the inevitable person casualties and the economic loss, in view of this kind of situation, designed one kind to respond qui

7、ckly, the reliability was high, and the more economical automobile anti-collision early warning system was imperative, the ultrasonic wave range finding was the most common one distance range finder method, this article introduces is uses the ultrasonic wave range finding design one kind of back-dra

8、ft anti-collision alarm system. the papers content is disseminates news systems design based on at89C51 monolithic integrated circuit back-draft anti-collision pronunciation, is mainly uses the ultrasonic wave the characteristic and the superiority, the ultrasonic ranging system, at89C51 monolithic

9、integrated circuit and the.Keywords: ultrasonic; SCM; speech1 引言随着社会经济发展,交通运输业日益兴旺，汽车数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免人身伤亡与经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济汽车防撞报警系统势在必行，超声波测距法是最常见一种距离测距方法，应用于汽车停车前后左右防撞近距离，低速状况，以及在汽车倒车防撞报警系统中，超声波作为一种特殊声波，同样具有声波传输基本物理特性折射，反射，干涉，衍射，散射。超声波测距即是利用其反射特性，当车辆后退时，超声波距离传感器利用超声波

10、检测车辆后方障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物距离及位置通知驾驶人员，起到安全作用。随着现代社会工业化进程发展，汽车这一交通工具为越来越多人所用，但是随之而来问题也显而易见，那就是随着车辆增多，交通事故频繁发生，由此导致人员伤亡与财产损失数目惊人。对于公路交通事故分析表明，80%意思车祸是由于驾驶员反应不及所引起，超过65%车辆相撞属于追尾相撞，其余则属于侧面相撞。奔驰汽车公司对各类交通事故研究表明:若驾驶员能够提早1s意识到有事故危险并采取相应正确措施，则绝大多数交通事故都可以避免。因此，大力研究开发如汽车防撞装置等主动式汽车辅助安全装置，减少驾驶员负担与错误判断，对于提高交通安

11、全将起到重要作用。显然，此类产品研究开发具有极大实现意义与广阔应用前景。 超声波测距国内外研究现状、发展动态国外测距仪表早期大多采用机械原理，但近年来随着电子技术应用，逐步向机电一体化发展，并且总结出许多新测量原理。从国外测距仪表发展技术动向看，当前国外测距仪新技术已广泛应用且普遍采用电子设计自动化 (EDA) 1、计算机辅助测试(CAT)、数字信号处理(DSP)、专用集成电路(ASIC)及表面贴装技术等。呈现出智能化测距仪、非接触测量方式测距仪、新原理小型测距仪2。采用超声波作为测量大气中地面距离是近代电子技术发展才获得正式应用技术，我国目前普遍使用是卷尺测量技术，不仅落后，使用不方便，而且

12、精度低、费时。一些比较先进长度测量仪器，如激光测距仪、微波测距仪、雷达测距仪等，虽然它们精度与分辨率高，具有较强适用性与抗干扰能力，但造价较高，多数用于军事领域3。中国测试技术研究所李茂山在超声波测距原理及实践技术4中详细地阐述了超声波测距原理，并给出了实现超声波测距具体框图，并讨论了影响超声波测距精度几种原因。作者分析，利用超声波测距是立足于声速在既定均匀媒介中，传播速度有一恒定数值且不随声波频率变化，超声波测距关键是把声源由反射到返回传播时间计量出来，若要求测距误差小于，那么测量时间误差必须小于30s。因此，实现声波测距须避开直接测量时间方法，才能获得实用测量精度。1998年，李忠杰在数字

13、式超声波位移测量仪研究5一文中介绍了这种数字式超声波位移测量仪结构、工作原理与功能。其数据处理借助于单片机，给出了程序框图，对仪表各部分硬件电路做了较详细说明，并列出了部分仪表实测数据，且分析了误差产生原因。中国科学院上海声学实验室王润田在双频超声波测距6一文中提出，为了在一个较长范围内达到测距精度，在测距时同时发射两个频率超声波，频率较大测较近距离，频率较小测较长距离，这样在较大范围内实现较高测距精度。南昌航空工业学院江泽涛在温度对液体中超声波速度影响7一文中详细地分析了温度对超声波在液体中传播速度影响，导出了超声波速度、液体压缩系数及密度关系，研究了压缩系数及密度同温度关系。进而研究温度对

14、声速影响，用实验测量了不同液体成分下声速同温度关系。1.2 超声波检测发展综述高速度，高效率是现代工业标志，而这是建立在高质量基础之上。设计与工艺人员理应了解：非均一组织结构，随机出现微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术运用方可予以发现，评价。当然，这及数十年来多方重视与广大从业人员艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品设计，研制，使用部门已被卓有成效运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会贺信中就说过：“你们能够给飞机与空间飞行器，发电厂，船舶，汽车与建筑物等带来更大程度可靠性。没有无损检测，

15、我们就不可能享有目前在这些领域与其他领域领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观需要毕竟是一种专业可以发展最大动力。我国无损检测技术是从无到有，从低级阶段逐渐发展到应用普及现阶段水平。超声波检测仪器研制生产，也大致按此规律发展变化。五十年代，我国开始从国外引进超声波仪器，多是笨重电子管式仪器。如英国 UCT-2 超声波检测仪，重达 24Kg，各单位积极开展试验研究工作，在一些工程检测中取得了较好效果。五十年代末六十年代初，国内科研单位进口了波兰产超声仪，并进行仿制生产。随后，上海同济大学研制出 CTS-10 型非金属超声检测仪，也是电子管式，仪器重约20Kg。该仪器性能稳定，波形清晰

16、。但当时这种仪器只有个别科研单位使用，建工部门使用不多。直至七十年代中期，因无损检测技术仍处于试验阶段，未推广普及，所以仪器没有多大发展，仍使用电子管式 UCT-2，CTS-10 型仪器。1976 年，国家建委科技司主持召开全国建筑工程检测技术交流会后，国家建委将混凝土无损检测技术列为重点攻关项目，组织全国 6 个单位协作攻关。从此，无损检测技术开始进入有计划，有目研究阶段。随着电子工业飞速发展，半导体元件逐渐代替了电子管器件，更有利于无损检测技术推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形与数码显示，仪器重量 10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推

17、出仅有 重 PUNDIT 便携式超声仪。1978 年 10 月，中国建筑科学院研制出 JC-2 型便携式超声波检测仪。该仪器采用TTL 线路，数码显示，仪器重量为 5Kg。同期研制出超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好基础。超声波检测技术是我国重点发展与推广新技术，其具有高精度，无损，非接触等优点。目前，已经广泛地应用在机械制造，电子冶金，航海，宇航，石油化工，交通等工业领域。此外，在材料科学，医学，生物科学等领域中也占具重要地位。国外在提高超声波测距方面做了大量研究，国内一些学者也做了

18、相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测超声波传播时间与超声波在介质中传播速度，二者中以传播时间精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法与声谱轮廓分析法或二者结合起来方法是主要降低探测传输不确定度方法。超声波检测技术作为无损检测技术重要手段之一，在其发展过程中起着重要作用，它提供了评价固体材料微观组织及相关力学性能、检测其微观与宏观不连续性有效通用方法。由于其信号高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确结论，对检测与分析人员要求较高，因此，人为因素对检测结果影

19、响较大，波形也不易记录与保存，不适宜完成自动化检测。八十年代后期，由于计算机技术与高速器件不断发展，使超声波信号数字化采集与分析成为可能。目前国内也相继出现了各类数字化超声波检测设备，并已成为超声波检测发展方向。厦门大学某位学者研究了一种回波轮廓分析法。该方法在测距中通过两次探测求取回波包络曲线来得到回波起点，通过这样处理后超声波传播时间精度得到了很大提高。意大利Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊发射波形来获得好回波包络，同时采用对环境噪声进行估测，设置一定回波开平电路，且采用自动增益控制放大器，通过这些措施来提高超声波探测精度。另外，也有大量文献研究采用数字信号处理技术与小波变

20、换理论来提高传输时间精度。这些处理方法都取得了较好效果。目前国内外在超声波检测领域都向着数字化方向发展，数字式超声波检测仪器发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器与分析系统。国际上对超声波检测数字化技术研究非常重视，国外生产类似产品与研究公司有美国泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大R/D TECH公司，德国K-K公司、法国SOFRATEST公司与西班牙TECNATOM公司等等，上述这些公司生产超声波检测采集、分析与成像处理系统技术水平较高，在世界上处于领先水平。随着检测技术研究不断深入，对超声检测仪器功能要求越来越高，单数码显示超声检测仪测读会带来较大

21、测试误差。进一步要求以后生产超声仪能够具有双显及内带有单板机微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理及分析等多项功能智能化检测分析仪相继研制成功。超声仪研制呈现一派繁荣景象。其中，煤炭科学研究院研制 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器控制管理之下，所有测量值，处理结果，状态信息都在显像管上显示出来，并可接微型打印机打印。其数字与波形都比较清晰稳定，操作简单，可靠性高，具有断电存储功能，其串口可以方便用户对仪器测试数据进行后处理及有关程序开发。及国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破与创新，达到了国际先进水平。

22、目前，计算机市场价格大幅度下降，采用非一体化超声波检测仪器，计算机可发挥它一机多用各种功能，实际上是最大节约。过去那种全功能仪器设置，还不如单独超声仪，计算机可充分发挥各自特点。高智能化检测仪器只能满足检测条件，使用环境，重复性测试内容等基本情况一样，才可充分发挥其特有功能。仪器设计也应从实际情况出发，才能满足用户要求。综上所述，我国超声波仪器研制及生产，有较大发展，有型号已超过国外同类仪器水平。2 超声波测距相关技术介绍与分析2.1 超声波测距原理超声波是一种频率超过20KHz机械波。超声波作为一种特殊声波，同样具有声波传输基本物理特性:反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振

23、幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同媒质介面超声波大部分能量会反射2。声传播是沿一定路径，有一定方向。声波传播时这一特性，称为指向性。声波传播方向则称为波线。由于超声波频率比一般可听见声波要高得多，在传声介质与声速相同情况下，它波长要小得多。因此，超声波比一般声波指向性要强得多，只需要用稍大一些声源（例如直径毫米晶体片）就可以将它能量集中在一个方向发射出去了。由于超声波比一般声波指向性要强，所以它反射与折射特性也要比一般声波明显得多。超声波发生器内部结构有两个压电晶片与一个共振板。当它两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超

24、声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。 图2-1 超声波发生器内部结构在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数及被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )及距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲宽度，即发射超声波及接收超声波时间间隔 t，故被测距离为 S= vt/2。本测量电路采用第二种方案。由于超 声波 声速 及温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测

25、距精度要求很高，则应通 过温度补偿 方法加以校正。超声波测距适用于高精度中长距离测量。因为超声波在标准空气中传播速度为米/秒，由单片机负责计时，单片机使用晶振，所以此系统测量精度理论上可以达到毫米级。2.2 超声波测距精度分析2.2.1 温度对声速影响在超声波测距系统中，影响测量精度因素很多，包括现场环境干扰、时基脉冲频率等。但环境温度对声速影响最大，从超声波声速经验公式 C 可以看出，在 040时，声速变化范围为 /s/s。以超声波在 20室温条件下声速 /s 为基准，其变化率为 6.83%8。所以温度影响不能忽略不计，必须要对温度进行测量与补偿，以避免温度对测量精度影响。声速及环境温度T(

26、)关系如式(2-1)所示: CT (2-1)表1-1列出了几种不同温度下超声波声速。在使用时，如果温度变化不大，声速基本不变。如果测距精度要求很高，当需要精确确定超声波传播速度时，必须考虑温度影响，通过温度补偿方法加以校正。声速确定后，只有测得超声波往返时间，即可求得距离。表2-1 不同温度下超声波声速表温度/-30-20-100102030100声速m/s3133193253233383443493862.2.2 回波检测对时间影响超声波从超声传感器发出，在空气中传播，遇到被测物反射后，再传回超声传感器。整个过程，超声波会有很大衰减。其衰减遵循指数规律。图2-2 测距原理示意图 超声波频率越

27、高，其衰减越快。同时超声波频率过高会产生较多副瓣，引起近场区干涉。但是，超声波频率越高，指向性越强，这一点有利于测量精度提高。由于超声回波随距离增加而变得十分微弱，所以在设计超声接收电路时，要设计较大放大倍数(万倍级)与较好滤波特性放大电路，使回波易于检测。 发射与反射之间夹角对测距影响假设发射及反射之间夹角为， v为超声波传播速度，t为传播时间，即超声波从发射到接收所用时间，两传感器之间距离为h，超声波单程所走距离用L表示，被测距离用H表示。则，。当时，11。所以应合理放置两传感器，在相互影响较小情况下分两种情况计算被测距离。3 系统硬件介绍 单片机介绍AT89C51是一个低电压，高性能CM

28、OS 8位单片机，片内含4kB可反复擦写Flash只读程序存储器与128 B随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司高密度、非易失性存储技术生产，兼容标准MCS-51指令系统，片内置通用8位中央处理器与Flash存储单元，内置功能强大微型计算机AT89C51提供了高性价比解决方案。AT89C51是一个低功耗高性能单片机，40个引脚，32个外部双向输入/输出（I/O）端口，同时内含2个外中断口，2个16位可编程定时计数器,2个全双工串行通信口，AT89C51可以按照常规方法进行编程，也可以在线编程。其将通用微处理器与Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写Flash存储器可有效地

29、降低开发成本。图3-1 AT89C51单片机芯片3.2 LCD1602液晶3.2.1 LCD1602主要技术参数： 显示容量:162个字符 芯片工作电压:4.55.5V 工作电流:2.0mA(5.0V) 模块最佳工作电压:5.0V 字符尺寸4.35(WH)mm 图3-2 1602液晶引脚图3.2.2 LCD1602引脚功能表3-1 1602液晶引脚说明引脚符号功能说明引脚符号功能说明1VCC一般接地9DB2底4位三态、 双向数据总线 2位2VDD接电源（+5V）10DB3底4位三态、 双向数据总线 3位3V0液晶显示器对比度调整端，接正电源时对比度最弱，接地电源时对比度最高11DB4底4位三态

30、、 双向数据总线 4位4RSRS为寄存器选择，高电平1时选择数据寄存器、低电平0时选择指令寄存器。12DB5底4位三态、 双向数据总线 5位5R/WR/W为读写信号线，高电平(1)时进行读操作，低电平(0)时进行写操作。13DB6底4位三态、 双向数据总线 6位6EE(或EN)端为使能(enable)端，下降沿使能。14DB7高4位三态、 双向数据总线 7位（最高位）（也是busy flag）7DB0底4位三态、 双向数据总线 0位（最低位）15BLA背光电源正极8DB1底4位三态、 双向数据总线位16BLK背光 电源负极3.3 74LS04芯片介绍 74LS06是六路反相驱动器图3-3 74

31、LS04逻辑图3.4 CX20106介绍图3-4 CX20106内部结构及管脚图CX20106A引脚注释：l脚：超声波信号输入端，该脚输入阻抗约为40k。2脚：该脚及GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络一个组成部分，改变它们数值能改变前置放大器增益与频率特性。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R=4.7，C=3.3F。3脚：该脚及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，但检波输出脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参

32、数为3.3F。4脚：接地端。5脚：该脚及电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器中心频率f0，阻值越大，中心频率越低。例如，取R=200k时，fn42kHz，若取R=220k，则中心频率f038kHz。6脚： 该脚及GND之间接入一个积分电容，标准值为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22k，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，4.5V5V。 CX20106A红外线遥控接收前置放大电路，多适用于电视机。内部电路由前置放大器，自动偏置电平控制电

33、路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器与波形整形电路等组成。CX20106A是CX20106改进型，二者之间主要差别在于电参数略有不同。CX20106A也有不少用于超声波测试。3.5 ISD4004语音芯片介绍引脚描述:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小,芯片模拟与数字电路使用不同电源总线,并且分别引到外封装不同管脚上,模拟与数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。:(VSSA,VSSD) 芯片内部模拟与数字电路也使用不同地线。同相模拟输入(ANA IN+) 这是录音信号同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,

34、最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容与本端3K电阻输入阻抗决定了芯片频带低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000 系列相同。(ANA IN-) 差分驱动时,这是录音信号反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV(AUD OUT) 提供音频输出,可驱动5K负载。(SS) 此端为低,即向该ISD4004 芯片发送指令，两条指令之间为高电平。(MOSI) 此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD 输入。(MISO) ISD 串行输出端。ISD 未选中时,本端呈高阻态。(SCLK) ISD 时钟输入端,由主控制器产

35、生,用于同步MOSI 与MISO数据传输。数据在SCLK 上升沿锁存到ISD, 在下降沿移出ISD。(/INT) 本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到EOM 或OVF 时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI 周期开始时清除。中断状态也可用RINT 指令读取。OVF 标志-指示ISD 录、放操作已到达存储器未尾。EOM标志-只在放音中检测到内部EOM 标志时,此状态位才置1。(RAC) 漏极开路输出。每个RAC 周期表示ISD 存储器操作进行了一行(ISD4004 系列中。存贮器共2400 行)。该信号175ms 保持高电平,低电平为25ms。快进模式下s 是高电平s

36、为低电平。该端可用于存储管理技术。(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部采样时钟在出厂前已调校,误差在+1%内。商业级芯片在整个温度与电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度与电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如前表所列)。由于内部防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐时钟频率不应改变。输入时钟占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时噪声。通常本端对地接1mF 电容,

37、构成内部信号电平峰值检测电路一部分。检出峰值电平及内部设定阈值作比较,决定自动静噪功能翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1mF 电容也影响自动静噪电路对信号幅度响应速度。本端接VCCA 则禁止自动静噪。4 系统硬件电路设计 4.1 总体方案设计控制系统使用AT89C51单片机，端口较多，其内部有4KB单元程序存储器，不需外部扩展程序存储器。显示器件采用lcd1602显示测量距离。语音芯片采用isd4004播报测量距离。由内部定时器产生40KHz方波送入发射电路。由单片机负责计时，使用12M晶振，精确到1us。该方案较易实现，灵敏度高。系统设计总框图如下：图4-1 系统设计

38、总框图4.2 模块论证方案 4.2.1 发射、接收模块方案一：来自单片机信号触发NE555定时器电路产生频率为40kHz左右方波信号,经过CD4069六非门反相器进行功率放大,驱动超声波发射传感器发射超声波。采用74LS系列芯片组成超声波接收电路，该电路由滤波电路、两级放大电路、门限电路组成。方案二：超声波发射电路主要驱动74LS04及超声波发生器组成。由单片机产生40KHz振荡信号，经74LS04放大，驱动超声波发生传感器发出超声波脉冲。使用红外接收专用芯片CX20106。将由发射传感器发出经反射后超声波脉冲转变为微弱交流信号 ,送红外检波接收集成模块 CX201061脚。由单片机直接产生4

39、0KHz方波信号较稳定。CX20106是集成芯片，内置放大限幅、带通滤波、检波、积分、整形模块，具有选频功能。其内部设计载波频率f = 38kHz，当其输入信号大于25mV时，输出端由高电平跳变为低电平，将其作为单片机扫描接收信号。考虑到CX20106组成接收电路结构简单、调试方便、抗干扰能力强，故本设计选用方案二。4.2.2 显示模块 方案一：采用数码管显示。使用74LS244对数码管进行驱动，编写扫描驱动显示程序,价格便宜，但电路复杂，需占用较多I/O口。数码管显示有限，只能显示数值，人机交互界面不够友好。方案二：采用lcd1602液晶显示。操作、编程都较方便，且电路简单，并可同时显示距离

40、，显示更加直观、清晰，人机交互界面友好。液晶显示编程更方便、电路更简单，故本设计选用方案二。 语音模块 方案一：采用isd2560语音芯片，具有抗断电、音质好，使用方便等优点。但录放音时间只有60秒。 方案二：采用isd4004语音芯片，该芯片采用多电平直接模拟量 存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调与效果声,避免了 一般固体录音电路因量化与压缩造成量化噪声与金属声。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长。 本设计录放音时间比较长，故本设计选用方案二。 硬件电路设计4.3.1 发射电路采用74LS04

41、构成超声波发射原理图如图4-2所示。控制系统产生40KHz方波经74LS04放大，74LS04放大在电路中不但有驱动作用同时增加了超声波传感器阻尼效果缩短了其自由振荡时间以便其迅速起振。图4-2 超声波发射驱动原理图4.3.2 接受电路由CX20106组成接收电路如图4-3所示。图4-3 CX20106接收原理图4.3.3 语音播报电路语音播报电路采用ISD4004语音芯片。ISD系列具有抗断电、音质好、使用方便、无需专用语音开发系统特点。测量数据经过单片机软件处理后，单片机发出语音地址与放音控制指令，同存储在语音芯片内部语音地址进行比较，当两者相匹配时，最后由语音电路，并通过扬声器报出测量结

42、果。驾驶员得到这些数据后，可作出车辆准确避障判断径，从而减少或避免交通事故发生9功率放大电路采用LM386。LM38610是一种音频集成功放， 具有功耗低、 电压增益可调整、电源电压范围大、外接元件少与总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机与收音机之中。电源电压为412V，静态消耗电流为4mA，电压增益为20200dB，在1、8 脚开路时，带宽为300KHz，输入阻抗为50K，音频功率。其原理图如图4-4所示。图4-4 ISD4004及LM386组成语音播报原理图4.3.4 复位电路在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常初始化之外，当由于程序运行出错或操作错误使系统处于死锁状态时，为摆脱困境，

43、也需按复位键以重新启动。所以，系统复位电路必须准确、可靠地工作。单片机复位都是靠外部电路实现，在时钟电路工作后，只要在单片机RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上高电平，单片机便实现初始化状态复位。为了保证应用系统可靠地复位，在设计复位电路时，通常使RST保持高电平。只要RST保持高电平，则单片机就循环复位。图 4-5 复位电路4.3.5 时钟电路时钟电路用于产生单片机工作所需要时钟信号，单片机本身就是一个复杂同步时序电路，为了保证同步工作方式实现，电路应在惟一时钟信号控制下严格地按时序进行工作 。该时钟电路由两个电容与一个晶体振荡器组成。X1是接外部晶体管一个引脚。在单片机内部，它是一个反相

44、放大器输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚X2，在芯片外部通过这两个引脚接晶体振荡器与微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定自激振荡器。图 4-6 晶振电路4.3.6 降压电路 由于isd4004语音芯片工作需要提供3v电压，而单片机5v工作，所以要通过三个二极管来实现降压，降到3v，如下图所示图 4-7 降压电路5 系统软件设计系统中超声波测距传感器是按照脉冲回波方式工作。超声波发送探头发出超声脉冲波在传播介质中传播，在传播途中碰到障碍物后有一部分超声波就立即反射回来，反射回来超声波被超声波接收器接收，根据声速在空气中传播速度与传播时间实现距离测量。本设计软件设计主要由主程序、超声

45、波发生子程序、超声波接收中断程序、显示子程序及语音播报程序组成。5.1 超声波测距算法超声波测距原理为超声波发生器在某一时刻发出一个超声波信号，当这个超声波遇到被测物体后反射回来，就被超声波接收器所接收到。这样只要计算出从发出超声波信号到接收到返回信号所用时间，就可算出超声波发生器及反射物体距离。距离可以由公式（2-1）计算可得出。5.2 主程序及流程图主程序流程图如图5-1所示。首先是对系统环境初始化：设置定时器T0、T1工作模式为16位定时器模式（T0用于超声波发射计时及显示时间计时，T1用于超声波传播时间计时）；外部中断为边沿触发、低电平有效；PCA捕捉/比较模块设置为频率输出方式，输出

46、频率为40KHz；然后调用超声波发射子程序送出一个超声波脉冲，为了避免超声波从发射器直接传送到接收器引起直射波触发，需延时约0.1 ms后，才打开外部中断0接收返回超声波信号。如果有回波接收到则利用声速进行距离计算，并送到显示子程序显示，同时选择语音播报地址，最后播报语言与显示所测距离。主流程图如5-1图所示。图5-1 主流程图5.3 超声波发射子程序通过交叉开关将频率可调方波输出配置到P13端口，超声波发射子程序作用是在1s时间内通过P13端口发送10个左右超声波脉冲信号（通过输出开关启停），延时0.1 ms后把定时器T1打开进行计时。程序流程图见图5-2 。图5-2 超声波发射程序流程图5.4 超声波接收中断程序超声波测距仪主程序利用外部中断