基于語音播放的超聲波測(cè)距系統(tǒng)

吉慶輝，劉賓坤，李冶，陳昱行

（大連理工大學(xué)城市學(xué)院，遼寧大連，116600）

該實(shí)測(cè)系統(tǒng)主要原理是由STC89C52單片式微機(jī)軟件作為一個(gè)定時(shí)器,計(jì)算一個(gè)高頻超聲波從高頻電磁輻射到射頻信號(hào)濾波接收的時(shí)間周期和一個(gè)往返波的時(shí)間,然后根據(jù)計(jì)算結(jié)果得出一個(gè)實(shí)測(cè)距離。實(shí)測(cè)距離結(jié)果會(huì)實(shí)時(shí)地自動(dòng)顯示出來在1602液晶幕上,如果距離實(shí)際被一個(gè)檢測(cè)者看到的位置是一定距離或者遠(yuǎn)遠(yuǎn)或是小于預(yù)先預(yù)定設(shè)置的安全實(shí)測(cè)距離,實(shí)時(shí)電視會(huì)通過自動(dòng)播放這個(gè)實(shí)測(cè)距離的高清視頻和實(shí)時(shí)語音等等信號(hào)方式來發(fā)出警告和警示提醒其他設(shè)備使用者們需要特別注意安全。

隨著時(shí)代的發(fā)展,人們生活質(zhì)量的提高,私家車輛越來越多,很多新手司機(jī)在跟車行駛和泊車時(shí)候總會(huì)遇到麻煩,掌握不好安全距離。而新型超聲波汽車測(cè)距距離傳感器由于其傳動(dòng)性能好、價(jià)格低廉,使用方便,在汽車距離自動(dòng)測(cè)量、汽車自動(dòng)駕駛引導(dǎo)、汽車安全車道行駛的汽車輔助自動(dòng)控制管理系統(tǒng)、城市交通安全管理及城市高速公路的安全管理等諸多領(lǐng)域均已經(jīng)有著廣泛應(yīng)用。本文所設(shè)計(jì)的超聲波測(cè)距系統(tǒng)加上語音播放是比較方便、實(shí)用的。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

該系統(tǒng)由STC89C52單片機(jī)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(gòu)成，系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)框圖

2 系統(tǒng)硬件分析

■2.1 主控芯片

STC89C52是一個(gè)低電壓，高性能CMOS 8位單片機(jī)，片內(nèi)含8k 字節(jié)Flash，512字節(jié)RAM，兼容MCS-51指令系統(tǒng)。STC89C52有40個(gè)引腳，32個(gè)外部雙向輸入/輸出（I/O）端口，含有2個(gè)串行中斷，3個(gè)16位可編程定時(shí)計(jì)數(shù)器中斷，2個(gè)全雙工串行通信口，2個(gè)讀寫口線。具有低功耗空閑和掉電模式，軟件設(shè)置睡眠和喚醒功能特點(diǎn)。

■2.2 HC-SR04模塊

HC-SR04 超聲波高度檢測(cè)控制系統(tǒng)該模塊系統(tǒng)能夠?yàn)槟瑫r(shí)實(shí)現(xiàn)具有 2cm~400cm 的非接觸式遠(yuǎn)距離高度傳感器和自動(dòng)遙控遠(yuǎn)距離高度檢測(cè)器的特點(diǎn)。其主要特點(diǎn)之一是系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單,使用的不是單片式電機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制電路簡(jiǎn)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(fā)器進(jìn)行測(cè)距,給予至少 10μs 的中頻高電平控制信號(hào)。然后在該模塊系統(tǒng)中會(huì)自動(dòng)向每個(gè)模擬傳輸器上網(wǎng)中發(fā)送8個(gè) 40kHz 的正弦波,自動(dòng)地經(jīng)由檢測(cè)每個(gè)模擬傳輸器上網(wǎng)中是否存在一個(gè)模擬信號(hào)源并對(duì)其進(jìn)行一次復(fù)位和返回。一旦全部的發(fā)射超聲波信號(hào)開始再次返回,通過 io 口 echo 向這個(gè)超聲波信號(hào)輸出一個(gè)高電平,這個(gè)高電平信號(hào)的持續(xù)時(shí)間也正因?yàn)檫@個(gè)超聲波開始再次發(fā)射直至信號(hào)再次返回。利用該計(jì)算模塊的運(yùn)行時(shí)間平均值函數(shù)乘以一個(gè)超聲波在各種空氣環(huán)境中的平均運(yùn)行量和速度再將其數(shù)值除以二,就已經(jīng)完全可以被計(jì)算出并得出被用于測(cè)量的一個(gè)物體和其他超聲波在該模塊之間的運(yùn)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(shè)計(jì)中因?yàn)椴捎玫氖前存I設(shè)置數(shù)量比較少，只有3個(gè)按鍵，分別是“設(shè)置”、“加”、“減”，所以采用了一個(gè)獨(dú)立式鍵盤的設(shè)置方式，分別連接單片機(jī)的三個(gè)腳。通過三個(gè)按鍵來設(shè)置報(bào)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(wěn)定的多媒體語音芯片,正常工作時(shí)其頻率寬度可以達(dá)到 2v -4. 5v ,彌補(bǔ)了目前國(guó)際上多媒體市場(chǎng)語音芯片的抗干擾性能力不高的優(yōu)勢(shì)。 NVC系列的語音芯片在設(shè)計(jì)中具有豐富的可視化控制手段,本產(chǎn)品在設(shè)計(jì)時(shí)采用 MCU一線串口方式進(jìn)行語音控制,是指主要的 MCU通過 data 數(shù)據(jù)線傳輸方式的信號(hào)來實(shí)現(xiàn)對(duì)任何一段語音的自動(dòng)觸發(fā)或者是播放和暫時(shí)停止。其中的數(shù)據(jù)和語言之間的關(guān)系如表1所示。

圖3 語音模塊電路圖

表1 數(shù)據(jù)與語言關(guān)系圖

■2.5 1602液晶顯示模塊

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

系統(tǒng)PCB板圖如圖4所示。

圖4 系統(tǒng)PCB板圖

3 軟件程序設(shè)計(jì)

操作流程如圖5所示,首先在單片機(jī)主執(zhí)行程序中對(duì)需要進(jìn)行執(zhí)行的任何一個(gè)時(shí)候都需要對(duì)液晶顯示功能進(jìn)行初始化,其中包括了對(duì)液晶顯示功能的初始化和對(duì)液晶顯示內(nèi)容的初始化,然后才是對(duì)單片機(jī)定時(shí)器的初始化。然后我們就會(huì)讓它進(jìn)入一個(gè)無限次循環(huán)的工作過程,進(jìn)入這個(gè)無限次循環(huán)的第一步便是我們啟動(dòng)超聲波測(cè)距模塊,測(cè)得實(shí)際的距離在1602液晶上清晰地被展現(xiàn)了出來,此時(shí)我們可以判斷剛剛測(cè)得的實(shí)際距離值是否遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛剛開始時(shí)所設(shè)置的安全距離值,如果遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于剛剛開始時(shí)所設(shè)置的安全距離值,語音自動(dòng)播放提醒。在完成第一步之后,然后開始對(duì)電腦中按鍵進(jìn)行掃描,判斷電腦中是否存在某個(gè)按鍵已經(jīng)被按下,如果電腦中有一個(gè)按鍵已經(jīng)被按下,則系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)對(duì)電腦中的報(bào)警值進(jìn)行設(shè)置。此時(shí),完成了一次循環(huán)的運(yùn)算過程,接著開始繼續(xù)地進(jìn)入一次循環(huán),進(jìn)行下一輪的移動(dòng)距離觀察和對(duì)按鍵的掃描。

圖5 程序流程圖

4 工作流程

接入U(xiǎn)SB電源后，1602顯示屏?xí)蕊@示“Welcome”， 語音播放“歡迎使用超聲波測(cè)距系統(tǒng)”。將超聲波傳感器探頭對(duì)準(zhǔn)任意障礙物檢測(cè)超聲波模塊回饋信號(hào)，有信號(hào)啟動(dòng)定時(shí)器，計(jì)算出S的值，顯示屏?xí)霈F(xiàn)S=X.XXm，顯示的S數(shù)據(jù)就是此時(shí)傳感器到障礙物距離，如果按下PCB版圖中的K1按鍵，顯示屏?xí)@示alarm=X.XXm，顯示的數(shù)據(jù)就是報(bào)警距離，可以按下K2或者K3去調(diào)報(bào)警距離，如果測(cè)出數(shù)據(jù)小于報(bào)警距離則語音播放X.XXm注意安全，如果大于報(bào)警距離，不會(huì)產(chǎn)生提醒。

5 結(jié)束語

本次產(chǎn)品設(shè)計(jì)測(cè)試采用的系統(tǒng)是基于STC89C52單片機(jī)的新型超聲波在線測(cè)距自動(dòng)控制處理系統(tǒng)。此系統(tǒng)能夠快速的測(cè)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(jià)低廉，能及時(shí)精準(zhǔn)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。