超声波测距的语音提示倒车报警系统设计.doc

本科毕业设计（论文）( 2011届 ) 题 目：超声波测距的语音提示倒车报警系统的设计 学 院： 行知学院 专 业： 电子信息工程 学生姓名： 王建波 学号： 07226140 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： 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 超声波测距的相关技术介绍和分析62.1 超声波测距的原理62.2 超声波测距的精度分析72.2.1 温度对声速的影响72.2.2 回波检测对时间的影响72.2.3 发射和反射之间夹角对测距的影响73 系统硬件的介绍73.1 单片机的介绍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芯片的介绍93.4 CX20106的介绍103.5 ISD4004语音芯片的介绍114系统硬件电路的设计124.1 总体方案设计124.2 模块论证方案134.2.1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144.3.3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 超声波测距的算法165.2 主程序与流程图175.3超声波发射子程序185.4超声波接收中断程序185.5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超声波测距的语音提示倒车报警系统设计数理与信息工程学院 电子信息工程专业 王建波（07226140）指导老师：马世平（教授）摘 要：随着社会经济的发展交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞预警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，本文介绍的就是利用超声波测距法设计的一种倒车防撞报警系统。论文的内容是基于AT89C51单片机倒车防撞语音播报系统的设计，主要是利用超声波的特点和优势，将超声波测距系统，AT89C51单片机和ISD4004语音模块结合于一体，设计出一种基于AT89C51单片机的倒车防撞报警系统。该系统采用软、硬件结合的方法，具有模块化和多用化的特点。论文概述了超声波检测的发展及基本原理，阐述了超声波传感器的原理及特性。对于系统的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的基础上，提出了系统的总体构成。对超声波接发收电路和语音提示电路的设计，并对系统各个设计单元的原理进行了介绍。对组成各系统电路的芯片进行了介绍，并阐述了它们的工作原理。论文介绍了系统的软件结构，通过编程来实现系统功能。最后，通过对系统的误差分析，给出了系统的改进方案。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 Xingzhi College，no.07226140)Abstract: Is day by day prosperous along with social economys development transportationshipping 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 quickly, 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-draft 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 integrated circuit and the.Keywords: ultrasonic; SCM; speech1 引言随着社会经济的发展,交通运输业日益兴旺，汽车的数量在大副攀升。交通拥挤状况也日趋严重，撞车事件屡屡发生，造成了不可避免的人身伤亡和经济损失，针对这种情况，设计一种响应快，可靠性高且较为经济的汽车防撞报警系统势在必行，超声波测距法是最常见的一种距离测距方法，应用于汽车停车的前后左右防撞的近距离，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的声波，同样具有声波传输的基本物理特性折射，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检测车辆后方的障碍物位置，并利用指示灯及蜂鸣器把车辆到障碍物的距离及位置通知驾驶人员，起到安全的作用。随着现代社会工业化进程的发展，汽车这一交通工具为越来越多的人所用，但是随之而来的问题也显而易见，那就是随着车辆的增多，交通事故的频繁发生，由此导致的人员伤亡和财产损失数目惊人。对于公路交通事故的分析表明，80%意思的车祸是由于驾驶员反应不及所引起的，超过65%的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的研究表明:若驾驶员能够提早1s意识到有事故危险并采取相应的正确措施，则绝大多数的交通事故都可以避免的。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，减少驾驶员的负担和错误判断，对于提高交通安全将起到重要的作用。显然，此类产品的研究开发具有极大的实现意义和广阔的应用前景。1.1 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的应用，逐步向机电一体化发展，并且总结出许多新的测量原理。从国外测距仪表发展的技术动向看，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、非接触测量方式的测距仪、新原理的小型测距仪2。采用超声波作为测量大气中的地面距离是近代电子技术发展才获得正式应用的技术，我国目前普遍使用的是卷尺测量技术，不仅落后，使用不方便，而且精度低、费时。一些比较先进的长度测量仪器，如激光测距仪、微波测距仪、雷达测距仪等，虽然它们的精度和分辨率高，具有较强的适用性和抗干扰能力，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的测距原理，并给出了实现超声波测距的具体框图，并讨论了影响超声波测距精度的几种原因。作者分析，利用超声波测距是立足于声速在既定的均匀媒介中，传播速度有一恒定数值且不随声波频率变化，超声波测距的关键是把声源由反射到返回的传播时间计量出来，若要求测距误差小于0.01m，那么测量时间的误差必须小于30s。因此，实现声波测距须避开直接测量时间的方法，才能获得实用的测量精度。1998年，李忠杰在数字式超声波位移测量仪的研究5一文中介绍了这种数字式超声波位移测量仪的结构、工作原理和功能。其数据处理借助于单片机，给出了程序框图，对仪表的各部分硬件电路做了较详细的说明，并列出了部分仪表的实测数据，且分析了误差产生的原因。中国科学院上海声学实验室的王润田在双频超声波测距6一文中提出，为了在一个较长的范围内达到测距的精度，在测距时同时发射两个频率的超声波，频率较大的测较近的距离，频率较小的测较长的距离，这样在较大的范围内实现较高的测距精度。南昌航空工业学院的江泽涛在温度对液体中超声波速度的影响7一文中详细地分析了温度对超声波在液体中传播速度的影响，导出了超声波速度、液体压缩系数及密度的关系，研究了压缩系数及密度同温度的关系。进而研究温度对声速的影响，用实验测量了不同液体成分下声速同温度的关系。1.2 超声波检测发展综述高速度，高效率是现代工业的标志，而这是建立在高质量的基础之上的。设计和工艺人员理应了解：非均一的组织结构，随机出现的微观，宏观缺陷，常常可以有时甚至是只能依靠无损检测技术的运用方可予以发现，评价。当然，这与数十年来多方的重视和广大从业人员的艰辛努力，使无损检测技术在这方面已具有一定的能力有关。现在，在工业发达国家，无损检测在产品的设计，研制，使用部门已被卓有成效的运用，1981 年美国前总统里根在给美国无损检测学会成立 40 周年大会的贺信中就说过：“你们能够给飞机和空间飞行器，发电厂，船舶，汽车和建筑物等带来更大程度的可靠性。没有无损检测，我们就不可能享有目前在这些领域和其他领域的领先地位。”无损检测正在以迅猛之势向纵深发展，客观的需要毕竟是一种专业可以发展的最大动力。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的现阶段水平。超声波检测仪器的研制生产，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，多是笨重的电子管式仪器。如英国的 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的效果。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。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，仍使用电子管式的 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，有目的的研究阶段。随着电子工业的飞速发展，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的推广普及。如罗马尼亚 N2701 型超声波测试仪，是由晶体管分立元件组成，具有波形和数码显示，仪器重量 10Kg。七十年代，英国 C.N.S 公司推出仅有 3.5Kg 重的 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。同期研制出的超声检测仪器还有 SC-2 型，CTS-25 型，SYC-2 型超声波检测仪。从此，我国有了自己生产的超声波仪器，为推广应用无损检测技术奠定了良好的基础。超声波检测技术是我国重点发展和推广的新技术，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相关研究。对超声波测距精度主要取决于所测的超声波传播时间和超声波在介质中的传播速度，二者中以传播时间的精度影响较大，所以大部分文献采用降低传播时间的不确定度来提高测距精度。目前，相位探测法和声谱轮廓分析法或二者结合起来的方法是主要的降低探测传输不确定度的方法。超声波检测技术作为无损检测技术的重要手段之一，在其发展过程中起着重要的作用，它提供了评价固体材料的微观组织及相关力学性能、检测其微观和宏观不连续性的有效通用方法。由于其信号的高频特性，超声波检测早期仅使用模拟量信号的分析，大部分检测设备仅有A扫描形式，需要通过有经验的无损检测人员对信号进行人工分析才能得出正确的结论，对检测和分析人员的要求较高，因此，人为因素对检测的结果影响较大，波形也不易记录和保存，不适宜完成自动化检测。八十年代后期，由于计算机技术和高速器件的不断发展，使超声波信号的数字化采集和分析成为可能。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的发展方向。厦门大学的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的起点，通过这样处理后超声波传播时间的精度得到了很大的提高。意大利的Carullo等人介绍了一种自适应系统，采用特殊的发射波形来获得好的回波包络，同时采用对环境噪声进行估测，设置一定的回波开平电路，且采用自动增益的控制放大器，通过这些措施来提高超声波的探测精度。另外，也有大量的文献研究采用数字信号处理技术和小波变换理论来提高传输时间的精度。这些处理方法都取得了较好的效果。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的发展速度很快。国内近几年也相继出现了许多数字式超声波仪器和分析系统。国际上对超声波检测数字化技术的研究非常重视，国外生产类似产品和研究的公司有美国的泛美（PANAMETRICS）公司、METEC公司，加拿大的R/D TECH公司，德国的K-K公司、法国的SOFRATEST公司和西班牙的TECNATOM公司等等，上述这些公司生产的超声波检测采集、分析和成像处理系统的技术水平较高，在世界上处于领先水平。随着检测技术研究的不断深入，对超声检测仪器的功能要求越来越高，单数码显示的超声检测仪测读会带来较大的测试误差。进一步要求以后生产的超声仪能够具有双显及内带有单板机的微处理功能。随后具有检测，记录，存储，数据处理与分析等多项功能的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的 2000A 型超声分析检测仪，是一种内带微处理器的智能化测量仪器，全部操作都处于微处理器的控制管理之下，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。其数字和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的测试数据进行后处理及有关程序的开发。与国内同类产品相比，设计新颖合理，功能齐全，在仪器设计上有重大突破和创新，达到了国际先进水平。 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的各种功能，实际上是最大的节约。过去那种全功能的仪器设置，还不如单独的超声仪，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，才能满足用户的要求。综上所述，我国超声波仪器的研制与生产，有较大发展，有的型号已超过国外同类仪器水平。2 超声波测距的相关技术介绍和分析2.1 超声波测距的原理超声波是一种频率超过20KHz的机械波。超声波作为一种特殊的声波，同样具有声波传输的基本物理特性:反射、折射、干涉、衍射、散射。超声波具有方向性集中、振幅小、加速度大等特点，可产生较大力量，并且在不同的媒质介面超声波的大部分能量会反射2。声的传播是沿一定路径，有一定方向的。声波传播时的这一特性，称为指向性。声波传播的方向则称为波线。由于超声波的频率比一般可听见的声波要高得多，在传声介质和声速相同的情况下，它的波长要小得多。因此，超声波比一般声波的指向性要强得多，只需要用稍大一些的声源（例如直径毫米的晶体片）就可以将它的能量集中在一个方向发射出去了。由于超声波比一般声波的指向性要强，所以它的反射和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和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，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，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔 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 的声速 与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通 过温度补偿 的方法加以校正。超声波测距适用于高精度的中长距离测量。因为超声波在标准空气中的传播速度为331.45米/秒，由单片机负责计时，单片机使用12.0M晶振，所以此系统的测量精度理论上可以达到毫米级。2.2 超声波测距的精度分析2.2.1 温度对声速的影响在超声波测距系统中，影响测量精度的因素很多，包括现场环境干扰、时基脉冲频率等。但环境温度对声速的影响最大，从超声波声速经验公式 C= 331.45+0.607T 可以看出，在 040时，声速变化范围为 331.4m/s354.85m/s。以超声波在 20的室温条件下的声速 343.32m/s 为基准，其变化率为 6.83%8。所以温度的影响不能忽略不计，必须要对温度进行测量和补偿，以避免温度对测量精度的影响。声速与环境温度T()的关系如式(2-1)所示: C=331.4+0.607T (2-1)表1-1列出了几种不同温度下的超声波声速。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，必须考虑温度的影响，通过温度补偿的方法加以校正。声速确定后，只有测得超声波的往返时间，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 回波检测对时间的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，超声波会有很大的衰减。其衰减遵循指数规律。图2-2 测距原理示意图 超声波频率越高，其衰减越快。同时超声波频率的过高会产生较多的副瓣，引起近场区的干涉。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的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)和较好滤波特性的放大电路，使回波易于检测。2.2.3 发射和反射之间夹角对测距的影响假设发射与反射之间的夹角为， 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的时间，两传感器之间的距离为h，超声波单程所走的距离用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，在相互影响较小的情况下分两种情况计算被测距离。3 系统硬件的介绍3.1 单片机的介绍AT89C51是一个低电压，高性能CMOS 8位单片机，片内含4kB的可反复擦写的Flash只读程序存储器和128 B的随机存取数据存储器（RAM），器件采用ATMEL公司的高密度、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位中央处理器和Flash存储单元，内置功能强大的微型计算机的AT89C51提供了高性价比的解决方案。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。其将通用的微处理器和Flash存储器结合在一起，特别是可反复擦写的Flash存储器可有效地降低开发成本。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:2.954.35(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、 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芯片的介绍 74LS06是六路反相驱动器图3-3 74LS04的逻辑图3.4 CX20106的介绍图3-4 CX20106内部结构与管脚图CX20106A的引脚注释：l脚：超声波信号输入端，该脚的输入阻抗约为40k。2脚：该脚与GND之间连接RC串联网络，它们是负反馈串联网络的一个组成部分，改变它们的数值能改变前置放大器的增益和频率特性。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的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：该脚与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，但检波输出的脉冲宽度变动大，易造成误动作，推荐参数为3.3F。4脚：接地端。5脚：该脚与电源端VCC接入一个电阻，用以设置带通滤波器的中心频率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： 该脚与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，它是集电极开路的输出方式，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路（ABLC）、限幅放大器、带通滤波器、峰值检波器和波形整形电路等组成。CX20106A是CX20106的改进型，二者之间的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语音芯片的介绍引脚描述1.电源:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和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。2.地线:(VSSA,VSSD) 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入(ANA IN+) 这是录音信号的同相输入端。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,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000 系列相同。3.反相模拟输入(ANA IN-) 差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV4.音频输出(AUD OUT) 提供音频输出,可驱动5K的负载。5.片选(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。6.串行输入(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。7.串行输出(MISO) ISD 的串行输出端。ISD 未选中时,本端呈高阻态。8.串行时钟(SCLK) ISD 的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI 和MISO的数据传输。数据在SCLK 上升沿锁存到ISD, 在下降沿移出ISD。9.中断(/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 的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM标志-只在放音中检测到内部的EOM 标志时,此状态位才置1。10.行地址时钟(RAC) 漏极开路输出。每个RAC 周期表示ISD 存储器的操作进行了一行(ISD4004 系列中的。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,RAC 的218.75s 是高电平,31.25s 为低电平。该端可用于存储管理技术。11.外部时钟(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的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和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,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)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。12.自动静噪(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF 的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1mF 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA 则禁止自动静噪。4 系统硬件电路的设计 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单元的程序存储器，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的方波送入发射电路。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：液晶显示超声波测距电路51单片机晶振电路Isd4004语音播放复位电路图4-1 系统设计总框图4.2 模块论证方案 4.2.1 发射、接收模块方案一：来自单片机的信号触发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：超声波的发射电路主要驱动74LS04及超声波发生器组成。由单片机产生的40KHz振荡信号，经74LS04放大，驱动超声波发生传感器发出的超声波脉冲。使用红外接收专用芯片CX20106。将由发射传感器发出的经反射后的超声波脉冲转变为微弱的交流信号 ,送红外检波接收集成模块 CX20106的1脚。由单片机直接产生40KHz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，将其作为单片机的扫描接收信号。考虑到CX20106组成的接收电路结构简单、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，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。4.2.3 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、音调和效果声,避免了 一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。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。4.3 硬件电路设计4.3.1 发射电路采用74LS04构成的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的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组成的接收电路如图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、无需专用的语音开发系统的特点。测量数据经过单片机软件处理后，单片机发出语音地址和放音控制指令，同存储在语音芯片内部的语音地址进行比较，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果。驾驶员得到这些数据后，可作出车辆准确避障的判断径，从而减少或避免交通事故的发生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、外接元件少和总谐波失真小等优点，广泛应用于录音机和收音机之中。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0.5W。其原理图如图4-4所示。图4-4 ISD4004与LM386组成的语音播报原理图4.3.4 复位电路在单片机应用系统工作时，除了进入系统正常的初始化之外，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，也需按复位键以重新启动。所以，系统的复位电路必须准确、可靠地工作。单片机的复位都是靠外部电路实现的，在时钟电路工作后，只要在单片机的RST引脚上出现24个时钟振荡脉冲以上的高电平，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的时钟信号，单片机本身就是一个复杂的同步时序电路，为了保证同步工作方式的实现，电路应在惟一的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和一个晶体振荡器组成。X1是接外部晶体管的一个引脚。在单片机内部，它是一个反相放大器的输入端，这个放大器构成了片内振荡器。输出端为引脚X2，在芯片的外部通过这两个引脚接晶体振荡器和微调电容，形成反馈电路，构成一个稳定的自激振荡器。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