基于51单片机的高精度超声波语音播报测距仪设计

邵阳学院信息工程系 李 忠 许建明 申 颖 粟成发 曹胜果

随着电子技术的发展，超声波传感器在测量方面有着广泛和普遍的应用，特别在测距仪中的应用。采用超声波传感器进行距离测量能够适应烟雾环境、黑暗环境、电磁干扰、有毒有害气体空间等恶劣环境的场合，是一种非接触式测距的测量方法，因而在液体流量和液位测量、倒车雷达、建筑施工等各种应用领域有较大的实用价值[1]。利用微控制器控制超声波测量距离具有快捷方便、成本低廉、电路简单、实时控制等特点，本设计就是采用单片机作为主控制器，利用超声波测距原理实现数显、快速、高精度的超声波测距仪的设计。

1 测距原理

超声波电路包括发射电路和接收电路，计时开始时发射电路向被测物发射超声波，超声波在空气中进行传播[2]，途中遇到被测物体产生反射，接收器接收后立即停止计时。由于超声波在空气中传播的速度是340m/s，单片机定时器记时为t，计算得到发射点到被测物体的距离(s)，即：s=340t/2。原理图如图1所示。

图1 超声波测距原理图

2 硬件设计

超声波测距仪系统主要包括：超声波模块、ISD4004语音模块、存储模块、LCD显示模块和按键控制模块四个部分，系统方框图如图2所示。

图2 系统硬件方框图

2.1 超声波模块

由于目前市场上成型的超声波测距模块应用日益广泛，性能稳定且精度高，因此本设计采用KS103超声波测距模块代替超声波发射与接收电路[3]。KS103超声波模块测较大平面物体量程可达10米，平均精度2mm，最高可达1mm，且带温度补偿功能，减小了测量误差。

2.2 ISD4004语音模块

ISD4004芯片工作电压3V，单片录放时间8至16分钟，还可以在断电情况下保存，非常适合于便携式电子产品设计。因此语音模块采用了ISD4004芯片。语音模块电路如图3所示。

2.3 存储模块

本系统采用AT24C02作为存储电路[4]，因AT24C02的工作电压范围教宽，且具有接口方便、体积小、可靠性高、数据掉电不丢失等特点。所以采用AT24C02来存储测量数据，通过按键可以调出之前30次的测量数据。

2.4 显示与按键模块

考虑到数码管显示过于简单，而且显示效果也不如LCD1602，为方便查看测量数据，故显示模块采用LCD1602。为使测距仪操作尽量简单，按键控制模块一共只设计了三个按键，其功能分别是：测量、上翻数据、下翻数据。

图3 语音模块电路

3 软件设计

超声波测距程序由主程序、超声波发射和接收程序、距离计算程序以及LCD显示程序组成。主程序对各模块初始化，并给LCD1602发送开机显示字符。三个按键分别连接到单片机的三个引脚，采用扫描的方式判断三个按键（测距、记录加和记录减）是否某一个按键被按下，再调用相应的子程序进行处理；超声波脉冲的发送由超声波发送子程序实现，为避免超声波从发射到接收出现直接波的触发，增加一定的延时时间。从发出超声波的时候开始计时，当接收到返回的超声波时停止计时，最后根据时间计算出所测量的距离。本设计采用主频为12MHz，1μs的机器周期，当成功接收的标志位被主程序检测到之后，按式(1)可计算出测距仪与被测物体间的距离：

式(1)中计数器T0中的值为发送到接收的时间，C为速度，d为距离。计算出的距离结果以十进制BCD码形式进行LCD显示，接着进行重复测量。程序主流程图如图4所示。

图4 主程序流程图

4 实验结果与实物

按以上步骤完成超声波测距仪的设计后，对完成的实物进行实际的数据测量。测量结果如表1所示。

表1结果分析：在小于1cm时与大于450cm时误差较大，在1cm-450cm区间内误差在1mm以内，大于500cm无数据。

实物制作与测量数据如图5所示。

表1 测试结果（环境温度25°C）

图5 实物测试图

5 结束语

本设计利用STC89C51单片机设计的高精度超声波语音测距仪，将测量的结果用LCD1602液晶直接显示，通过ISD4004语音模块对测量结果进行实时播报。超声波测距模块采用KS103，测距结果通过I2C总线协议输出，这种通过电路模块化的设计方式非常符合当今电子产品发明设计主流。本超声波语音测距仪通过仿真和实物的双重验证，具有性能稳定、测量精度高、操作简单，且有非常好的推广和应用价值。

[1]卜英勇,王纪婵,赵海呜等.基于单片机的高精度超声波测距系统[J].仪表技术与传感器,2007(3):66-68.

[2]郁有文,常健,程继红.传感器原理及工程应用[M].西安:西安电子科技大学出版社,2008.

[3]胡晓,巴力登.基于AT89C52的超声波测距系统设计[J].工业控制计算机,2014,27(3):125-126.

[4]江世明,许建明,朱群峰,申寿云.单片机原理及应用[M].上海:上海交通大学出版社,2013.