超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件電路設(shè)計(jì)

謝運(yùn)陶

摘 要： 中國(guó)是世界上盲人數(shù)量最多的國(guó)家，盲人生活在黑暗的世界中，給工作、生活、社交活動(dòng)帶來(lái)莫大的困難，如何安全行走是盲人生活中最大的問(wèn)題。為了解決這一問(wèn)題，作者在研究超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)工作原理的基礎(chǔ)上，采用C8051F340單片機(jī)作為控制器，對(duì)導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，解決系統(tǒng)硬件電路問(wèn)題。

關(guān)鍵詞： 導(dǎo)盲儀 超聲波傳感器 電路設(shè)計(jì)

超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)硬件電路部分主要包括單片機(jī)電路、超聲波測(cè)距電路、溫度補(bǔ)償電路、報(bào)警電路和外圍其他電路。系統(tǒng)硬件電路總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

各模塊功能介紹如下：

超聲波發(fā)射電路：實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的發(fā)射，單片機(jī)不斷發(fā)射出超聲波信號(hào)，以便實(shí)時(shí)檢測(cè)前方是否有障礙物。

超聲波接收電路：實(shí)現(xiàn)超聲波信號(hào)的接收，經(jīng)過(guò)濾波和功率放大后送入單片機(jī)進(jìn)行處理。

溫度傳感器電路：檢測(cè)當(dāng)前溫度環(huán)境下的溫度，以便將溫度傳給單片機(jī)，進(jìn)行溫度補(bǔ)償，將測(cè)距溫差降低到最低。

語(yǔ)音報(bào)警電路：根據(jù)需要，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，通知使用者前方出現(xiàn)障礙物等各種情況。

一、超聲波發(fā)射電路

超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)發(fā)射電路采用LM555/LM555C系列時(shí)基電路，LM555/LM555C作為一款經(jīng)典的集成電路，有著比較典型的特性：靈活性強(qiáng)，可以應(yīng)用到非常多的領(lǐng)域中，通常被用來(lái)產(chǎn)生脈沖信號(hào)和用作時(shí)間延遲。在各種各樣的電子產(chǎn)品中均可用到。

555時(shí)基電路包括兩種：TTL型和CMOS型，上述介紹的LM555/LM555C屬于前者，TTL型時(shí)基電路的特點(diǎn)是輸出功率比較大，可以驅(qū)動(dòng)的電流達(dá)到200mA。相比較于TTL型，CMOS型的時(shí)基電路輸出功率比較低，但功耗低，電源電壓要求也不如TTL型高，輸入阻抗非常高，但是輸出的驅(qū)動(dòng)電流不足TTL型的十分之一，通常不超過(guò)十毫安。

通常把LM555時(shí)基電路等同為R-S觸發(fā)器，相對(duì)于R-S觸發(fā)器的輸入端，LM555的閾值端等同于置0端R，高電平有效。觸發(fā)端（TR）等同于置位端S，低電平使能。其輸出端（OUT）就等同于觸發(fā)器的輸出端Q。放電端（DIS）可看成由內(nèi)部放電開(kāi)關(guān)控制的一個(gè)接點(diǎn)，放電開(kāi)關(guān)由觸發(fā)器的反Q端控制：反Q=1時(shí)DIS端接地；反Q=0時(shí)DIS端懸空。復(fù)位端R，控制電壓端R，電源端VCC，接地端GND功能不變，是相比于R-S觸發(fā)器多出的端口。

LM555定時(shí)器的主要作用是結(jié)合電阻和電容構(gòu)成充放電電路。利用兩個(gè)比較器，通過(guò)不斷檢測(cè)電容器上電壓值的大小，決定輸出電平的高低和放電導(dǎo)管的開(kāi)與閉。使用這個(gè)原理和結(jié)合方式可以構(gòu)成一系列功能電路，包括延時(shí)電路、單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器、多諧振蕩器、施密特觸發(fā)器等脈沖產(chǎn)生或波形變換電路。

利用555時(shí)基電路振蕩產(chǎn)生40kHz的超聲波信號(hào)，使之與換能器的40kHz固有頻率一致。12V電源能使555時(shí)基具有足夠驅(qū)動(dòng)能力。P0.1為超聲波發(fā)射控制信號(hào)，由單片機(jī)控制。發(fā)射電路如圖2所示。

二、超聲波接收電路

本系統(tǒng)采用LM567鎖相環(huán)電路作為音調(diào)譯碼器，LM567電路由三部分組成：電流控制振蕩器、鑒相器鎖和反饋濾波器。該音調(diào)譯碼器中，存在一個(gè)鎖相環(huán)路和一個(gè)晶體管開(kāi)關(guān)，在該音調(diào)譯碼器上連接上設(shè)定好的音頻信號(hào)時(shí)，便會(huì)產(chǎn)生對(duì)應(yīng)的接地方波。該電路由I與Q檢波器組成，通過(guò)電壓驅(qū)動(dòng)振蕩器確定譯碼器的頻率。用外接元件獨(dú)立設(shè)定中心頻率帶寬和輸出延遲。

LM567鎖相環(huán)電路可以實(shí)現(xiàn)震蕩、調(diào)制、解調(diào)、遙控編碼和譯碼電路。如電力線載波通信，對(duì)講機(jī)亞音頻譯碼，遙控等。

LM567的工作原理類似于低電壓的電源開(kāi)關(guān)，如果其接收到的音頻信號(hào)符合其要求，在其要求的頻率范圍之內(nèi)，便可將其開(kāi)關(guān)連通。除此之外，LM567也能用到可變形發(fā)生器或是通用鎖相環(huán)電路中。在LM567作為音頻信號(hào)開(kāi)關(guān)使用時(shí)，所能檢測(cè)的中心頻率在0.1至500KHZ范圍間，對(duì)應(yīng)的檢測(cè)帶寬可以設(shè)定在中心頻率14%內(nèi)。同時(shí)，音頻信號(hào)開(kāi)關(guān)的啟動(dòng)時(shí)間可以借助外部電阻和電容，其可調(diào)范圍自由設(shè)定。

LM567的引腳圖如圖3所示。

管腳功能描述：

1、2腳通常分別通過(guò)一個(gè)電容器接地，形成輸出濾波網(wǎng)絡(luò)和環(huán)路單級(jí)低通濾波網(wǎng)絡(luò)。2腳所接電容決定鎖相環(huán)路的捕捉帶寬：電容值越大，環(huán)路帶寬越窄。1腳所接電容的容量應(yīng)至少是2腳電容的2倍。3腳是輸入端，要求輸入信號(hào)≥25mV。8腳是邏輯輸出端，其內(nèi)部是一個(gè)集電極開(kāi)路的三極管，允許最大灌電流為100mA。

LM567電氣參數(shù)：

LM567的工作電壓為4.75～9V，工作頻率從直流到500kHz，靜態(tài)工作電流約8mA。

LM567芯片使用：LM567為通用音調(diào)譯碼器，主要用于外界接電阻20比1范圍，邏輯兼容輸出具有吸收100mA電流能力。

超聲波發(fā)射電路發(fā)出的超聲波信號(hào)經(jīng)過(guò)障礙物發(fā)射回來(lái)后轉(zhuǎn)變成功率極小的交流信號(hào)，該交流信號(hào)接入運(yùn)放LM358，經(jīng)過(guò)電路放大后，接入音頻譯碼器中的LM567，LM567因?yàn)榫哂羞x頻的功能，其內(nèi)部的壓控振蕩器的中心頻率，當(dāng)LM567輸入信號(hào)的電壓值超過(guò)25mV時(shí)，輸出端信號(hào)由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，將這個(gè)跳變信號(hào)作為中斷信號(hào)送入單片機(jī)中，啟動(dòng)中斷服務(wù)子程序。接收電路如圖5所示。

三、限幅保護(hù)電路

在本系統(tǒng)中，探測(cè)電路的驅(qū)動(dòng)電壓比較高，有可能造成后級(jí)電路中放大器出現(xiàn)過(guò)載的情況，人為控制好高電平的振幅，并且避免寄生調(diào)幅產(chǎn)生的干擾，需要對(duì)超聲波的發(fā)射信號(hào)做幅值保護(hù)。在限幅保護(hù)模塊中，使用兩個(gè)IN4148穩(wěn)壓二極管組成雙向限幅保護(hù)電路，1N4148開(kāi)關(guān)二極管。主要在儀器儀表、電子設(shè)備的開(kāi)關(guān)電路、檢波電路、高頻和脈沖整流電路及自動(dòng)控制電路中，如圖6所示。

四、溫度補(bǔ)償電路

數(shù)字式溫度傳感器SHT10由兩個(gè)電容式聚合體測(cè)濕元件和一個(gè)隙式測(cè)溫元件組成，并與一個(gè)14位A/D轉(zhuǎn)換器和一個(gè)2-wire數(shù)字接口在單芯片中無(wú)縫結(jié)合，直接與單片機(jī)相連，該產(chǎn)品具有功耗低，反應(yīng)快，抗干擾能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)。endprint

單片機(jī)與SHT10接口電路部分：SHT10的SCK口和DATA口分別與單片機(jī)的P0.2口和P0.3口連接，DATA端口需要一個(gè)外部的4.7kΩ上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平，只有當(dāng)DATA為高電平時(shí)，SHT10才開(kāi)始工作，如圖7所示。

五、語(yǔ)音報(bào)警電路

本系統(tǒng)語(yǔ)音報(bào)警器采用ISD1420語(yǔ)音芯片，ISD1420芯片型號(hào)的最后2位數(shù)字表示語(yǔ)音錄放時(shí)間的長(zhǎng)度。這種芯片錄放音時(shí)間最長(zhǎng)20s；需要的外接電路很簡(jiǎn)單，必要的電阻、電容與麥克風(fēng)結(jié)合在一起便可組成一個(gè)功能齊全的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)；該芯片存儲(chǔ)的是模擬信息，模擬信息可以保證聲音質(zhì)量，還可以達(dá)到一定的混響效果；待機(jī)時(shí)低功耗（僅0.5μA），典型放音電流15mA，可擴(kuò)充級(jí)聯(lián)；可持續(xù)放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段數(shù)160段；錄放次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次；系統(tǒng)斷電時(shí)，音頻信號(hào)可以保存，不會(huì)丟失，不需要外在電源維持，信息的存放時(shí)間可以高達(dá)100年；使用簡(jiǎn)便，不需要配套專用的音頻處理器；使用低電壓或是副跳變沿方式觸發(fā)錄音，供電方式采用單極性電源，供電電壓通常采用+5V。引腳圖如圖8所示。

ISD1420各管腳功能簡(jiǎn)述如下：

A0～A7：地址輸入端或控制命令輸入端；當(dāng)A7A6同時(shí)為高電平時(shí)，A4-A0

為控制命令，否則，A7-A0為地址；

VCCD：數(shù)字電路電源；

VCCA：模擬電路電源，+5V；

VSSD：數(shù)字信號(hào)地線；

VSSA：模擬信號(hào)地線；

SP+，SP-：音頻信號(hào)輸出端，連接8-16揚(yáng)聲器；

XCLK：時(shí)鐘控制端。

ANAIN：模擬信號(hào)輸入端。

ANAOUT：模擬信號(hào)輸出端；

AGC：自動(dòng)增益控制，調(diào)整芯片內(nèi)部前置放大器增益，使錄入信號(hào)不失真。

MIC：話筒輸入端，通過(guò)電容耦合，連接駐極體話筒。

MICREF：話筒參考輸入端。

PLAYE：放音控制脈沖觸發(fā)端，該端輸入由高電平向低電平跳變的下降沿時(shí)，芯片進(jìn)入放音周期；

PLAYL：放音控制電平觸發(fā)端，當(dāng)該端為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入放音周期；當(dāng)該端為高電平時(shí)，停止放音。

REC：錄音控制端，當(dāng)該為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入錄音狀態(tài)，錄音期間該端必須保持低電平。

RECLED：錄音顯示端，該端接發(fā)光二極管，在錄音時(shí)做錄音指示燈。

NC：空腳。

ISD1420系列語(yǔ)音集成電路由內(nèi)部時(shí)鐘電路、自動(dòng)增益控制電路、前置放大電路濾波器、差動(dòng)功率放大器、電源電路、存儲(chǔ)器EEPROM、地址譯碼電路、存儲(chǔ)控制電路等組成，其內(nèi)部電路邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

語(yǔ)音報(bào)警芯片采用美國(guó)ISD生產(chǎn)的新型優(yōu)質(zhì)單片機(jī)錄放音電路ISD1420。該芯片采用了直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)DAST。語(yǔ)音信號(hào)不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換直接以原來(lái)狀態(tài)存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)器?？梢蕴峁┱鎸?shí)自然的音樂(lè)、語(yǔ)音、聲音等。音質(zhì)不會(huì)受到影響，同時(shí)不需要專用語(yǔ)音開(kāi)發(fā)工具，成本低廉。

語(yǔ)音報(bào)警電路圖如圖9所示。endprint

單片機(jī)與SHT10接口電路部分：SHT10的SCK口和DATA口分別與單片機(jī)的P0.2口和P0.3口連接，DATA端口需要一個(gè)外部的4.7kΩ上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平，只有當(dāng)DATA為高電平時(shí)，SHT10才開(kāi)始工作，如圖7所示。

五、語(yǔ)音報(bào)警電路

本系統(tǒng)語(yǔ)音報(bào)警器采用ISD1420語(yǔ)音芯片，ISD1420芯片型號(hào)的最后2位數(shù)字表示語(yǔ)音錄放時(shí)間的長(zhǎng)度。這種芯片錄放音時(shí)間最長(zhǎng)20s；需要的外接電路很簡(jiǎn)單，必要的電阻、電容與麥克風(fēng)結(jié)合在一起便可組成一個(gè)功能齊全的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)；該芯片存儲(chǔ)的是模擬信息，模擬信息可以保證聲音質(zhì)量，還可以達(dá)到一定的混響效果；待機(jī)時(shí)低功耗（僅0.5μA），典型放音電流15mA，可擴(kuò)充級(jí)聯(lián)；可持續(xù)放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段數(shù)160段；錄放次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次；系統(tǒng)斷電時(shí)，音頻信號(hào)可以保存，不會(huì)丟失，不需要外在電源維持，信息的存放時(shí)間可以高達(dá)100年；使用簡(jiǎn)便，不需要配套專用的音頻處理器；使用低電壓或是副跳變沿方式觸發(fā)錄音，供電方式采用單極性電源，供電電壓通常采用+5V。引腳圖如圖8所示。

ISD1420各管腳功能簡(jiǎn)述如下：

A0～A7：地址輸入端或控制命令輸入端；當(dāng)A7A6同時(shí)為高電平時(shí)，A4-A0

為控制命令，否則，A7-A0為地址；

VCCD：數(shù)字電路電源；

VCCA：模擬電路電源，+5V；

VSSD：數(shù)字信號(hào)地線；

VSSA：模擬信號(hào)地線；

SP+，SP-：音頻信號(hào)輸出端，連接8-16揚(yáng)聲器；

XCLK：時(shí)鐘控制端。

ANAIN：模擬信號(hào)輸入端。

ANAOUT：模擬信號(hào)輸出端；

AGC：自動(dòng)增益控制，調(diào)整芯片內(nèi)部前置放大器增益，使錄入信號(hào)不失真。

MIC：話筒輸入端，通過(guò)電容耦合，連接駐極體話筒。

MICREF：話筒參考輸入端。

PLAYE：放音控制脈沖觸發(fā)端，該端輸入由高電平向低電平跳變的下降沿時(shí)，芯片進(jìn)入放音周期；

PLAYL：放音控制電平觸發(fā)端，當(dāng)該端為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入放音周期；當(dāng)該端為高電平時(shí)，停止放音。

REC：錄音控制端，當(dāng)該為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入錄音狀態(tài)，錄音期間該端必須保持低電平。

RECLED：錄音顯示端，該端接發(fā)光二極管，在錄音時(shí)做錄音指示燈。

NC：空腳。

ISD1420系列語(yǔ)音集成電路由內(nèi)部時(shí)鐘電路、自動(dòng)增益控制電路、前置放大電路濾波器、差動(dòng)功率放大器、電源電路、存儲(chǔ)器EEPROM、地址譯碼電路、存儲(chǔ)控制電路等組成，其內(nèi)部電路邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

語(yǔ)音報(bào)警芯片采用美國(guó)ISD生產(chǎn)的新型優(yōu)質(zhì)單片機(jī)錄放音電路ISD1420。該芯片采用了直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)DAST。語(yǔ)音信號(hào)不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換直接以原來(lái)狀態(tài)存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)器。可以提供真實(shí)自然的音樂(lè)、語(yǔ)音、聲音等。音質(zhì)不會(huì)受到影響，同時(shí)不需要專用語(yǔ)音開(kāi)發(fā)工具，成本低廉。

語(yǔ)音報(bào)警電路圖如圖9所示。endprint

單片機(jī)與SHT10接口電路部分：SHT10的SCK口和DATA口分別與單片機(jī)的P0.2口和P0.3口連接，DATA端口需要一個(gè)外部的4.7kΩ上拉電阻將信號(hào)提拉至高電平，只有當(dāng)DATA為高電平時(shí)，SHT10才開(kāi)始工作，如圖7所示。

五、語(yǔ)音報(bào)警電路

本系統(tǒng)語(yǔ)音報(bào)警器采用ISD1420語(yǔ)音芯片，ISD1420芯片型號(hào)的最后2位數(shù)字表示語(yǔ)音錄放時(shí)間的長(zhǎng)度。這種芯片錄放音時(shí)間最長(zhǎng)20s；需要的外接電路很簡(jiǎn)單，必要的電阻、電容與麥克風(fēng)結(jié)合在一起便可組成一個(gè)功能齊全的語(yǔ)音錄放系統(tǒng)；該芯片存儲(chǔ)的是模擬信息，模擬信息可以保證聲音質(zhì)量，還可以達(dá)到一定的混響效果；待機(jī)時(shí)低功耗（僅0.5μA），典型放音電流15mA，可擴(kuò)充級(jí)聯(lián)；可持續(xù)放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段數(shù)160段；錄放次數(shù)達(dá)10萬(wàn)次；系統(tǒng)斷電時(shí)，音頻信號(hào)可以保存，不會(huì)丟失，不需要外在電源維持，信息的存放時(shí)間可以高達(dá)100年；使用簡(jiǎn)便，不需要配套專用的音頻處理器；使用低電壓或是副跳變沿方式觸發(fā)錄音，供電方式采用單極性電源，供電電壓通常采用+5V。引腳圖如圖8所示。

ISD1420各管腳功能簡(jiǎn)述如下：

A0～A7：地址輸入端或控制命令輸入端；當(dāng)A7A6同時(shí)為高電平時(shí)，A4-A0

為控制命令，否則，A7-A0為地址；

VCCD：數(shù)字電路電源；

VCCA：模擬電路電源，+5V；

VSSD：數(shù)字信號(hào)地線；

VSSA：模擬信號(hào)地線；

SP+，SP-：音頻信號(hào)輸出端，連接8-16揚(yáng)聲器；

XCLK：時(shí)鐘控制端。

ANAIN：模擬信號(hào)輸入端。

ANAOUT：模擬信號(hào)輸出端；

AGC：自動(dòng)增益控制，調(diào)整芯片內(nèi)部前置放大器增益，使錄入信號(hào)不失真。

MIC：話筒輸入端，通過(guò)電容耦合，連接駐極體話筒。

MICREF：話筒參考輸入端。

PLAYE：放音控制脈沖觸發(fā)端，該端輸入由高電平向低電平跳變的下降沿時(shí)，芯片進(jìn)入放音周期；

PLAYL：放音控制電平觸發(fā)端，當(dāng)該端為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入放音周期；當(dāng)該端為高電平時(shí)，停止放音。

REC：錄音控制端，當(dāng)該為低電平時(shí)，芯片進(jìn)入錄音狀態(tài)，錄音期間該端必須保持低電平。

RECLED：錄音顯示端，該端接發(fā)光二極管，在錄音時(shí)做錄音指示燈。

NC：空腳。

ISD1420系列語(yǔ)音集成電路由內(nèi)部時(shí)鐘電路、自動(dòng)增益控制電路、前置放大電路濾波器、差動(dòng)功率放大器、電源電路、存儲(chǔ)器EEPROM、地址譯碼電路、存儲(chǔ)控制電路等組成，其內(nèi)部電路邏輯結(jié)構(gòu)框圖如圖9所示。

語(yǔ)音報(bào)警芯片采用美國(guó)ISD生產(chǎn)的新型優(yōu)質(zhì)單片機(jī)錄放音電路ISD1420。該芯片采用了直接模擬量存儲(chǔ)技術(shù)DAST。語(yǔ)音信號(hào)不經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)換直接以原來(lái)狀態(tài)存儲(chǔ)到內(nèi)部存儲(chǔ)器。可以提供真實(shí)自然的音樂(lè)、語(yǔ)音、聲音等。音質(zhì)不會(huì)受到影響，同時(shí)不需要專用語(yǔ)音開(kāi)發(fā)工具，成本低廉。

語(yǔ)音報(bào)警電路圖如圖9所示。endprint