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摘要:本文研究了以AT89C2051单片机为核心的超声波测距传感器的工作原理,系统组成，硬件电路和软件设计方法。创造
( R2 g5 O" K% o性地引入了ISD1420 语音芯片电路,与LED相结合,使系统同时具有数码显示和自动语音报数双重结果输出功能,适于在! Q2 W' V5 n$ ~! S" M
特殊环境下和特殊人群使用,更具有便捷性和新颖性。同时分析了温度补偿问题和盲区问题,提出了解决方法。
/ d/ c% q& K/ t- u( V关键词:超声波;测距传感器;AT89C2051单片机;ISD1420芯片;自动语音报数
. z0 x" ^, W9 B& b9 C1 @6 q1引言
0 H3 A& ~- b* X( G( n3 P/ Z5 a由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距# _$ S2 {/ H, E7 ^ W) ~+ C
离较远,因而可用于测距仪、物位测量仪和行走机器人的研制。
* G0 V* z: f7 k S" i目前国内一般多使用专用集成电路设计超声波测距仪,但是专# r5 l1 D! T# p9 |: a
用集成电路的成本较高。本文研究了以AT89C51单片机为核
8 `; J J- K! F4 Y ?1 }心的低成本、高精度、微型化超声波测距仪的硬件电路和软件
. s% K1 n- n+ K: ?设计方法。本系统除了核心一单片 机和超声波收发装置及
* `2 M7 ^" T# X' }+ iLED数码显示模块外，创造性地引入了ISD1420语音报数电 l5 t- T3 D3 ?# B$ s2 b1 I2 r b
路,从而具有双重显示功能,适于在特殊环境下和特殊人群使
( s" U4 s4 n3 v/ d, T9 C用，更具有便捷性和新颖性。3 u! j/ g* j8 G( _. S+ ^
2超声波传感器和测距原理, f% |2 i/ r: j7 B+ ?5 I5 ^+ B
2.1测量原理
8 V: g. w& W; e5 K: Z总体上,超声波发生器分为两类:-类是利用电器方式产生4 J2 Z" S: e5 Q* J0 |8 u
超声波,另一类是利用机械方式产生超声波。目前较为常用的
0 S: e5 ~/ F' g: J4 e$ d" r是压电式超声波发射器。主要是利用压电效应的原理将电能和: @$ ~' X0 ~; t& ]# }
超声波相互转化,即在发射超声波的时候,将电能转换,发射超" N0 D" g7 D; W: B/ S
声波;而在收到回波的时候,则将超声振动转换成电信号。实际.9 N9 L; p, J4 s9 a1 K) i
设计中,将超声波发送器和接收器装在--起,合称为超声波传
7 \2 Z0 u, k O$ H4 ~感器。其发射频率不低于20KHz。
4 ?( X! a& B* }9 p$ j& D2 T. o: B传感器发出40KHz超声波,但并不是单独发射一个脉冲，+ \5 R* @5 p7 H; D) D
而是一串的几个脉冲,并对0 ^$ v, `- h* J4 ^; I& Z2 b
测量逻辑电路提供--个短脉冲,开始计时,超声波接收器! ^: h5 P1 f# f4 y) n
接收到遇到障碍而返回的脉冲串1
4 @$ l* ]0 ~# v% J4 Z! e0 `前端,同样也对测量逻辑电路提供一个短脉冲,计时结束，
* Q: N0 O* h% j* _这就得到了超声波运行时间间隔t(),结合空气中超声波传播& M* e+ b( [( r
; F$ s# M4 g; M+ y4 u# D+ a速度v(n/s),根据运动定律,我们便得到所要测量的目标距离
9 W. {9 T6 N1 m- B$ LS(m) :S=Vt/2 v6 U0 o6 x- N8 A
这就是渡越时间测距法(TOF , time of flight)。其中,超声波在7 J# z. a4 G+ J9 z6 O1 Z
空气中传播的速度V和空气的温度有关。8 i7 x+ U, l: ]0 ]& F* B( g
2.2温度补偿
6 A: {& J1 ?6 x# Z8 D+ U% I8 v在理想气体中,超声波传播速度可表述为: V=，
& B f, P$ }# H0 `- l. I( ?( M' A其中，1为气体的比热值, R为气体常数, T为热力学温1 N) |* G# G" h3 J4 E. h+ I
度，μ为气体的分子量。由(2)可知:声速与热力学温度的平方根
S B. s! c: X3 D成正比,温度越高声速越大。实验表明，实用的温度值经验公式5 L- K/ s% p' E2 L' \5 V" Z
为:4 E" A, n. [; Q' E0 T( p1 ~$ b$ X [
对于T值,可使用温度传感器采集并送给单片机进行4 Z; U# b8 v& {4 c. F
计算。: \5 r) ^: J9 Z8 [1 _
了ISD1420 语音芯片
[- Z) u8 A* u4 F( U5 U测量仪器的语音输出是一种很直观、易懂的形式,人机界.0 `7 f( H: G3 y' \; i* S
面友好。系统采用ISD公司的ISD1420语音芯片，该芯片具有
; O( p- ]0 U7 h7 Y! C/ j8 K以下特点:外围元件简单,仅需要少量的电阻、电容元件、麦克风
% F; B) L" N0 `5 L" _7 v. v- B6 _就可以完成一个完整的录放系统;模拟信息存储,重放音质量; j: S# l5 G9 J+ U2 U
好;功耗低,可扩充级联;可持续放音,也可分段录放,最大可分$ ~- n0 C4 e5 ?. n: c/ e7 ]" Y
段数160段;录音次数达十万次。芯片采用CMOS技术,内含震/ }5 a7 P- H: |6 j
荡器、话简前置放大、自动增益控制、防混淆滤波器、平滑滤波
7 L; b4 O! g7 D器、扬声器驱动及EEPROM阵列。ISD1420 语音芯片内部结构
" A$ F" b2 |! f& r+ C6 s如图1所示。
( \4 P2 D! w; U, vISD1420可持续放音20秒，则最小分段时间为20s/160段7 E- e# q' H! V0 v
=0.125s,-一个最小分段占用-一个存储单元;系统设计时,可在测
! ^8 o. o1 @ I量前根据需要，由MIC录入普通话提示语音，如:“测量距离
4 d4 w$ w! k# _* A6 B9 }. S3 G# O为”、“0~9”10个数字,“点”、“米”等,一般每个字符可设置
. t* ` O3 ^, S I录音时间为0.5秒，较长的词组或句子可适时延长录音时间。( ^/ |5 t3 v4 W9 W0 `
测量结束后,例如LED显示测量结果为6.80米,我们便会紧接8 K/ p* I, e4 } {$ D2 _( q
3 u% d2 e7 n$ r* V, D7 D: E7 Z" H& v! U
) K5 U- e2 y9 q. F- \4 v7 d' i
* r1 t5 M8 b- J: C% M; ~$ b附件下载：( a/ S' [9 v& S8 |% B
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发表于 2020-5-8 09:53
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