基于单片微型计算机的语音播报测距仪的设计

第28卷第6期 2008年12月 惠州学院学报(自然科学版) JOURNAL0FHUIZHOUUNIVERSITY VoL28．No．6 Dec．2008 基于单片微型计算机的语音播报测距仪的设计 罗 萍 (惠州学院电子系，广东惠州516007) 摘要：本文介绍了一种利用SPCE061A单片机、超声波测距、数字电子技术和模拟电子技术实现的语音播报 测距仪。可以对被检测的距离进行语音播报和数字显示。本文阐述了超声波发射电路、超声波接收电路、单片机控 制电路、数字显示电路、音频放大电路和软件程序的设计。该测距仪的语音播报功能，使得测距装置的设计更加完 善、更具人性化。 关键词：SPCE061A单片机；超声波测距；语音播报 中图分类号：TP39 文献标识码：A 文章编号：1671—5934(2008)06—0079一04 1 前言 测距仪是一种对距离进行检测的装置。采用非接触式的距离测量，能够在某些特定场合和环境比较恶劣的 情况下使用，比如：测量有毒或有腐蚀性化学物质的液面高度，或测量有不安全因素的距离。在以激光、红外和超 声波等多种非接触式测距方式中，超声波测距具有受外界光及电磁场等因素的影响小、测量速度快、准确可靠，结 构简单、成本低廉等优点，在有距离测量的电子系统中得到了广泛的应用。本文介绍的是一种以超声波作为传播 媒介进行距离的测量，具有语音播报和数字显示功能测距仪的设计。 2超声波测距的工作原理 由于超声波的速度相对光速小的多，传播时间比较容易检测，易于定向发射，方向性好，强度容易控制。因 而，可利用超声波特性、电子技术、单片机技术相结合来实现非接触式的距离测量。 单片机控制超声波发射电路工作，发射脉冲信号，其信号在传播媒质中以线性前进，碰到被测物体时反射回 来，被超声波接收电路接收，再将其变化信号送给单片机。超声波从发射到接收超声波返回信号的间隔时间△t， 与超声波在空气中的传播速度v相乘运算，即可得到测距仪与被测物体之间的往返距离2L，然后可计算出被测距 离L：L：vAt／2。⋯ 3 系统设计 3．1 系统总体结构 一种具有语音播报功能的测距仪，由超声波发射电路、超声 波接收电路、单片机电路、半导体数字显示电路、音频功率放大 电路、功能开关电路等组成，系统总体结构如图1所示。 由单片机控制实现超声波的发射、超声波回波的接收、计算 测量距离值及数据处理、被测距离值的数字语音处理，控制语音 播报和半导体数字显示出被测的距离值。 数字语音处理可分为A／D、编码、存储、解码、D／A等部分。 D^c输出H音频功放电路H语音输出 单片机电路 I／O 超声波 发射电路 收稿日期：2008—06—26 作者简介：罗萍(1955一)，女，甘肃临洮人，讲师，研究方向为电子技术应用和单片机应用。 LEDl半导体数字 接口电路I显示电路 超声波 接收电路 功能 开关电路 图1 万方数据 ．80· 惠州学院学报(自然科学版) 2008年第28卷 凌阳16位的SPCE061A单片机心]，具有单片机的基本功能，其内部还置有八路10位模／数转换器和10位数／模转 换器，2K字的SRAM、32K字的闪存FLASH；还具有DSP功能，有很强的信息处理能力，最高时钟可达到49MHZZ， 具备了运算速度高的优势，为语音信息的录制和存储、以及数字语音处理提供了充足的条件；由SACM—LIB函数 库可分别使数字语音处理中的各功能部分形成可独立应用的模块，配接相应的应用程序接口API，按需要调用该 API函数即可实现其功能。本设计采用凌阳16位SPCE061A单片机作为控制、选用凌阳音频压缩算法的SACM— A2000和SPCE061A内部10位D／A转换器作为数字语音处理，使其语音播出的音质优良，测量距离值的语音播 报十分清晰；其语音播出测量距离值的功能使测距仪的设计更具有人性化的特色。 3．2硬件电路设计 3．2．1 超声波发射电路和超声波接收电路 超声波测距的超声波发射电路和超声波接收电路，如图2所示 (1)超声波发射电路 超声波发射电路如图2所示。单片机的IOBl端口由单片机程序控制输出为高电平时，启动555定时器组成 的矩形波振荡器工作，输出频率为40kHz的矩形波脉冲信号，再经超声波换能器XT将其脉冲信号发射出去；调节 R1电阻可调整振荡频率，采用12V电源，以提高超声波的发射强度。 图2 (2)超声波接收电路 超声波接收电路如图2所示。超声波接收换能器XR接收到遇被测物体而返回40kHz的矩形波脉冲信号，经 过运算放大器A1组成电压放大电路，将其放大整形后的信号输出到专用集成电路LM2907N的VI+端，调节反馈 电阻R6，可调整电压放大电路的电压放大倍数。集成电路LM2907N[3J内有频率／电压转换电路和比较器电路，VI +要求是随频率变化的电压信号，其频率／电压转换的电压与VOP+端的电压VCC／2进行比较，输出逻辑电平信 号，VOP+端的比较电压VCC／2是由R10和R12对直流稳压电源+12V的分压得到的；该超声波接收电路中，在 没有接收到返回的脉冲信号时，LM2907N输出端C为逻辑高电平；当接收到返回的脉冲信号时，LM2907N输出端 C为逻辑低电平。输出端c的逻辑电平变化输入到单片机的IOB0端口，作为超声波测距中的回波检测信号。电 阻R11和二极管Dl提供给LM2907N的VI一端的一个0．7V偏置电压。 3．2．2单片机控制电路 单片机控制电路如图3所示。 K是“测距”控制开关与单片机IOB2连接，按下一次作为测距的启动。测距时，单片机IOBl端口输出为高电 平，启动超声波发射工作；单片机同时启动内部定时器工作，IOB0端口是超声波返回信号的检测端口，在没有接 收到超声波返回信号时，检测得到高电平信号；当接收到返回信号时，检测得到了低电平信号，单片机停止内部定 时器工作。该定时器的定时工作时间，就是超声波测距过程中的△t。经过单片机程序进行计算，获得被测距离L 万方数据 第6期 罗萍：基于单片微型计算机的语音播报测距仪的设计 ·8l· =v△t／2。再经过数据处理，以七段数字信号输出到经典的动态扫描方式工作的3位数字显示电路，显示出被测 的距离值，数字显示器件采用共阴极结构的七段半导体发光二极管的数码显示器。 “测距”，可以采用位检测和中断两种方法，中断的方法方便于将该设计应用到具有测距功能的仪器设备中， 本设计将“测距启动”的开关接在具有外中断功能的单片机IOB2端，正是考虑了这个因素。 3．2．3音频放大电路 图3电路中，由A2、R17、R18、C13、C14、C15和喇叭组成了音频放大电路。 D．。一1 D2D3 十耳·0V 武⋯、 1082"v'DD 至NC555--1081 RESB R16f土～In圭2牛，o+ ，2士 略自LM2907N—IOBO ∞± 瞒瞵确 岛x占 0Sc0 DACl RtIOCI曩=球18一十C1s M N l- OSCl VSS l _L —c8 [OE GSPCB06lA Q7一QO C16 工0A7L10AO分 D7r——DO7茴卣白74LS373产 Ⅵ)DHlOAe —广一 10A9 IOAl0 图3 语音数字处理后的测量距离值(数字信号)，由单片机内部的10位D／A转换器将该数字信号转换为模拟信 号，以模拟电流信号输出到音频放大电路，将其电流信号转换为电压信号，并进行放大，再经喇叭播报出被测的距 离值。调节电阻R18，可调整语音的音量。 3．3软件程序设计 软件程序为主程序和中断服务程序两部分。 3．3．1主程序 开机后，首先实现系统初始化和语音初始化，测量距离值的 数字显示为000显示。然后，进入等待“测距”状态；测距是由单 片机对于外中断源输入端相接的“测距”控制开关信号端进行检 测。当有“测距”控制开关作用时，产生逻辑电平的变化，作为中 断请求信号输人到单片机，在单片机响应中断后，执行中断服务 程序。 主程序流程图如图4所示。 3．3．2中断服务程序 首先启动超声波发射电路工作；对内部定时器做复位清0， 并启动其计数工作；再检测超声波接收电路输出的逻辑电平信 号。当有超声波返回信号时，则停止内部定时器的计数工作；由 计数值计算出被测的距离值，并对距离值进行溢出检测；当测距 值没有溢出时，对正常距离值进行数据处理、语音处理和控制语 音播报；再返回主程序控制数字显示电路显示出被测的距离值； 同时也进入中断，等待再次测距。当判断到测量距离值有溢出 图4 主程序流程图 图5 中断程序流程图 —至二 定时器复位二[ }漫示演出j 测观D{=始 启动超声波发射电路工作 定时器复f泓启动工作 有超声波返回吗? Y 停l}=定时器工作 定时器有溢出吗?■二吁 I距离计算l==<，．．．．．．，‘．．_ l数据处理l ==夏=： l语音处理l |。———-—立／—————-．—-——、!●———^1______。一 l语音播报l。——1芦—。啊璃赢 万方数据 -82· 惠州学院学报(自然科学版) 2008年第28卷 时，将做出测量距离值有错的显示。中断服务程序流程图如图5所示。 4 结束语 本文设计的测距仪，测距范围为20an一399cln。单片机CPU时钟频率选择了24．576MHZ，指令周期平均约 为7个机器周期，在测距过程中由指令产生的时间误差约为方案

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