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 201424）
【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等等。
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关键词 超声波测距；单片机；语音模块；AT89C51
0 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=1/2ct（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℃）
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CX20106A，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113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。CX20106A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l S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1cm。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。
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参考文献
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［责任编辑：杨玉洁］