基于語音播放的超聲波測距系統

吉慶輝，劉賓坤，李冶，陳昱行

（大連理工大學城市學院，遼寧大連，116600）

該實測系統主要原理是由STC89C52單片式微機軟件作為一個定時器,計算一個高頻超聲波從高頻電磁輻射到射頻信號濾波接收的時間周期和一個往返波的時間,然后根據計算結果得出一個實測距離。實測距離結果會實時地自動顯示出來在1602液晶幕上,如果距離實際被一個檢測者看到的位置是一定距離或者遠遠或是小于預先預定設置的安全實測距離,實時電視會通過自動播放這個實測距離的高清視頻和實時語音等等信號方式來發出警告和警示提醒其他設備使用者們需要特別注意安全。

隨著時代的發展,人們生活質量的提高,私家車輛越來越多,很多新手司機在跟車行駛和泊車時候總會遇到麻煩,掌握不好安全距離。而新型超聲波汽車測距距離傳感器由于其傳動性能好、價格低廉,使用方便,在汽車距離自動測量、汽車自動駕駛引導、汽車安全車道行駛的汽車輔助自動控制管理系統、城市交通安全管理及城市高速公路的安全管理等諸多領域均已經有著廣泛應用。本文所設計的超聲波測距系統加上語音播放是比較方便、實用的。

1 系統總體設計

該系統由STC89C52單片機主控模塊，按鍵模塊，電源模塊：5V的USB供電，HC-SR04超聲波模塊，1602液晶顯示模塊，NV020C語音模塊構成，系統的總體結構框圖如圖1所示。

圖1 系統總體結構框圖

2 系統硬件分析

■2.1 主控芯片

STC89C52是一個低電壓，高性能CMOS 8位單片機，片內含8k 字節Flash，512字節RAM，兼容MCS-51指令系統。STC89C52有40個引腳，32個外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，含有2個串行中斷，3個16位可編程定時計數器中斷，2個全雙工串行通信口，2個讀寫口線。具有低功耗空閑和掉電模式，軟件設置睡眠和喚醒功能特點。

■2.2 HC-SR04模塊

HC-SR04 超聲波高度檢測控制系統該模塊系統能夠為您同時實現具有 2cm~400cm 的非接觸式遠距離高度傳感器和自動遙控遠距離高度檢測器的特點。其主要特點之一是系統結構簡單,使用的不是單片式電機和運動控制電路簡單容易,而且制造成本低。這種控制模塊主要包括了一系列的用于控制超聲波射頻、接收和控制的電路模塊。采用 trio 口 trig 兩口觸發器進行測距,給予至少 10μs 的中頻高電平控制信號。然后在該模塊系統中會自動向每個模擬傳輸器上網中發送8個 40kHz 的正弦波,自動地經由檢測每個模擬傳輸器上網中是否存在一個模擬信號源并對其進行一次復位和返回。一旦全部的發射超聲波信號開始再次返回,通過 io 口 echo 向這個超聲波信號輸出一個高電平,這個高電平信號的持續時間也正因為這個超聲波開始再次發射直至信號再次返回。利用該計算模塊的運行時間平均值函數乘以一個超聲波在各種空氣環境中的平均運行量和速度再將其數值除以二,就已經完全可以被計算出并得出被用于測量的一個物體和其他超聲波在該模塊之間的運行距離。HC-SR04模塊電路如圖2所示。

圖2 超聲波模塊電路

■2.3 按鍵模塊

本設計中因為采用的是按鍵設置數量比較少，只有3個按鍵，分別是“設置”、“加”、“減”，所以采用了一個獨立式鍵盤的設置方式，分別連接單片機的三個腳。通過三個按鍵來設置報警值的范圍。

■2.4 NV020C語音模塊

語音模塊電路圖如圖3所示。NVC芯片采用的是一款功率穩定的多媒體語音芯片,正常工作時其頻率寬度可以達到 2v -4. 5v ,彌補了目前國際上多媒體市場語音芯片的抗干擾性能力不高的優勢。 NVC系列的語音芯片在設計中具有豐富的可視化控制手段,本產品在設計時采用 MCU一線串口方式進行語音控制,是指主要的 MCU通過 data 數據線傳輸方式的信號來實現對任何一段語音的自動觸發或者是播放和暫時停止。其中的數據和語言之間的關系如表1所示。

圖3 語音模塊電路圖

表1 數據與語言關系圖

■2.5 1602液晶顯示模塊

1602是一種體積小、質量輕、低功耗、無任何電磁輻射、使用壽命長的新型液晶顯示儀。1602液晶屏可以同時表現2行16位的字符，能夠更加方便地同時顯示繁體英文的每個字母大小寫、阿拉伯字母數字、常用的注音符號等。芯片的電源輸入和輸出工作電壓4.5~5.5V，工作時間由芯片電路產生的插入輸出工作電流2.0mA，操作簡單，便于使用。

系統PCB板圖如圖4所示。

圖4 系統PCB板圖

3 軟件程序設計

操作流程如圖5所示,首先在單片機主執行程序中對需要進行執行的任何一個時候都需要對液晶顯示功能進行初始化,其中包括了對液晶顯示功能的初始化和對液晶顯示內容的初始化,然后才是對單片機定時器的初始化。然后我們就會讓它進入一個無限次循環的工作過程,進入這個無限次循環的第一步便是我們啟動超聲波測距模塊,測得實際的距離在1602液晶上清晰地被展現了出來,此時我們可以判斷剛剛測得的實際距離值是否遠遠小于剛剛開始時所設置的安全距離值,如果遠遠小于剛剛開始時所設置的安全距離值,語音自動播放提醒。在完成第一步之后,然后開始對電腦中按鍵進行掃描,判斷電腦中是否存在某個按鍵已經被按下,如果電腦中有一個按鍵已經被按下,則系統會自動對電腦中的報警值進行設置。此時,完成了一次循環的運算過程,接著開始繼續地進入一次循環,進行下一輪的移動距離觀察和對按鍵的掃描。

圖5 程序流程圖

4 工作流程

接入USB電源后，1602顯示屏會先顯示“Welcome”， 語音播放“歡迎使用超聲波測距系統”。將超聲波傳感器探頭對準任意障礙物檢測超聲波模塊回饋信號，有信號啟動定時器，計算出S的值，顯示屏會出現S=X.XXm，顯示的S數據就是此時傳感器到障礙物距離，如果按下PCB版圖中的K1按鍵，顯示屏會顯示alarm=X.XXm，顯示的數據就是報警距離，可以按下K2或者K3去調報警距離，如果測出數據小于報警距離則語音播放X.XXm注意安全，如果大于報警距離，不會產生提醒。

5 結束語

本次產品設計測試采用的系統是基于STC89C52單片機的新型超聲波在線測距自動控制處理系統。此系統能夠快速的測出距離，以語音播放的形式提醒使用者?？梢詮V泛的適用于駕駛員在上路后跟車高速行駛中保持一定的安全距離、汽車倒車防碰撞裝置、盲人拐杖等等。由于其安全可靠，造價低廉，能及時精準提醒使用者，一定可以得到大眾的歡迎，被大眾接受使用，讓生活更加智能化。