具有實時語音播報的超聲波測距測速儀設計

曹永紅CAO Yong-hong；劉小亮LIU Xiao-liang

（石家莊鐵道大學四方學院，石家莊 051132）

（Shijiazhuang Tiedao University Sifang College，Shijiazhuang 051132，China）

0 引言

對于蝙蝠等一些無目視能力的生物來說，借助超聲波定位技術進行防御、捕捉獵物等維持自身的生存，也就是生物體發射超聲波（超過20kHz 的機械波），一般不能被人們所聽到，這種超聲波是借助空氣等媒質進行傳播，借助被捕捉的獵物或障礙物反射回來的回波的強弱和時間間隔的長短判斷獵物或障礙物位置的方法，根據這一原理，人們提出了超聲波測距。

近年來，為了滿足導航系統、工業機器人自動測距等方面的需要，自動測距的重要性逐漸顯示。超聲波技術已成為一門以物理、電子、機械及材料科學為基礎的、各行各業都要使用的通用技術之一。

1 超聲波測距測速的原理

超聲波測距的方法有多種，主要包括：相位檢測法、聲波幅值檢測法等。其中，相位檢測法的檢測精度比較高，但是檢測范圍有限；聲波幅值檢測法在檢測過程中容易受到反射波的影響和制約，檢測精度不高。

本設計硬件設計采用超聲波往返時間檢測法。工作時，單片機驅動超聲波發射探頭發出一連串的超聲波脈沖，超聲波發射探頭發出最后一個脈沖后，給單片機提供一個短脈沖，單片機開啟計數器開始計時，超聲波接收探頭則在接收到被測物體反射回來的反射波后，也向單片機提供一個短脈沖，單片機關閉計數器。計數器所計時間即超聲波往返于探頭與被測物體所用的時間。這個時間間隔乘以超聲波在此環境溫度下的聲速，即為超聲波在這個時間段內的行程。當超聲波發射探頭和接收探頭之間的距離相對于兩探頭到被測物體之間的距離很小時，可以認為行程的一半即為所要測的距離值；當超聲波發射探頭和接收探頭之間的距離相對于兩探頭到被測物體之間的距離不可忽略時，前面的假設則不能成立，所以超聲波檢測有一個允許的最小測量范圍。其次，由于超聲波發射探頭發出的超聲波并不是理想的絕對沿直線傳播，其中，一部分超聲波沒有經過被測物體反射就直接繞射到接收探頭上，這部分信號是無用的，進而在一定程度上產生系統誤差。在設計過程中，采用延時技術解決這一問題。發射探頭發射超聲波后，通過增加延時，借助軟件關閉所有中斷，對此期間接收到的任何信號接收電路不予理睬，之后再等待反射信號的到來。所以，這又使得系統不可避免地產生了測量盲區。經過檢驗，本系統的盲區為2cm，即被測物體在2cm以內時，系統不能檢測。所以本次測量的最小距離為2cm。

由于相鄰的兩次發射超聲波脈沖的時間間隔為一定值，即發射超聲波的頻率一定。連續發射兩次超聲波脈沖測得的兩個距離值求差除以這個時間間隔即得物體的平均速度。而超聲波的發射頻率很高，故可認為此平均速度為物體的瞬時速度，實現實時測速的功能。

2 系統硬件、軟件設計

單片機是本系統的控制核心部分，采用宏晶科技推出的STC89C52RC 芯片。發射電路采用74LS04 六反向器，通過它對單片機產生的方波信號進行放大。接收處理電路采用的是CX20106A 電路、LM358 電路和LM567 鎖相電路，通過接收電路對接收到的信號進行增益放大和鎖相整形，最終再輸出穩定準確的脈沖給單片機。顯示部分采用了型號為FG12864E 的單色128×64 點陣液晶顯示模塊，利用了該模塊靈活的接口方式和簡單、方便的操作指令；采用動態掃描的方式，通過單片機譯碼，實時顯示測量的距離或速度值。語音播報部分采用美國ISD 公司推出的ISD4004 語音芯片，與液晶顯示配合實時的對測量的距離或速度值進行語音播報。

超聲波測距測速儀原理框圖如圖1 所示。

圖1 系統原理框圖

完成了系統的硬件設計之后，接下來就是系統軟件的設計，它所需要完成的主要是針對系統功能的實現及數據的處理和應用。由于C 語言通用性強，其程序本身不依賴于機器硬件系統，故本軟件采用C 語言編寫。驅動超聲波傳感器的40kHz 方波信號的產生、時間差的讀取、距離速度值的計算以及顯示輸出的譯碼和語音播報的實現都由單片機編程完成。其中，對LCD 進行編程，必須先了解LCD 的接口協議。液晶顯示子程序設計的關鍵之處在于軟件中時序的安排要與液晶顯示模塊內部的時序一致，否則將不會顯示成功。語音播報模塊是結合液晶顯示模塊一起使用的，要注意的是該模塊中的軟件時序的安排要與液晶顯示模塊內部的時序一致，否則將出現聲音提示和液晶顯示不一致的現象。

3 誤差分析

超聲波測距在實際應用也有很多局限性，這都影響了超聲波測距的精度。一是超聲波在空氣中衰減極大，由于測量距離的不同，造成回波信號的起伏，使回波到達時產生較大的誤差；二是超聲波脈沖回波在接收過程中被極大地展寬，影響了測距的分辨率，尤其是對近距離的測量造成較大的影響。其他還有一些因素，諸如環境溫度、風速等也會對測量造成一定的影響，這些因素都限制了超聲波測距在一些對測量精度要求較高的場合的應用。

4 結論與展望

本系統有效的測距范圍是2cm～3.0m，測距精度±1cm，較好地實現了預定的功能。是微電子產品應用的一例，符合測量工具小型化、集成化、智能化的發展要求，希望本課題的研究能夠對傳統測量工具的改進和創新有一定的作用。

由于設計經驗的不足和所掌握知識的限制，系統的某些功能設計構想還沒有完整的表達出來，硬件電路、軟件部分都還存在著不足和需要改進的地方。

①需要進一步提高系統硬件電路的整體性能以及抗干擾的能力。②測量范圍與發射功率直接相關，由于超聲波探頭功率有限，本系統只能在小范圍內使用；更換成大功率探頭，測量范圍將擴大。③要滿足更高的精度要求，還必須進行適當的改進；在某些特殊場合的應用中，還要考慮超聲波的入射角、反射角以及超聲波傳播介質的密度、表面光滑度等因素。

可以相信，隨著超聲波傳感器機械結構的改進和制作工藝的提高、驅動電源與接收電路設計的完善以及測量方法的更新，超聲波測距測速系統的適用范圍還會進一步擴大。

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