超聲波測(cè)距模組應(yīng)用方案v1

1、帶語音功能的超聲波測(cè)距統(tǒng)SPCE061 方案 2005. 2.19V .1 科技大學(xué)計(jì)劃教育推廣中心海淀上地信息產(chǎn)業(yè)FAX: 86-10-62962425中黎科技園 1 號(hào)樓 5 層: 86-10-62981668E-保留對(duì)此文件修改之權(quán)利且不另行通知。所提供之信息相信為正確且可靠之信息, 但并不保證本文件中絕無錯(cuò)誤。請(qǐng)于向科技股份提出訂單前, 自行確定所使用之相關(guān)技術(shù)文件及規(guī)格為之版本。若因貴公司使用本公司之文件或產(chǎn)品, 而涉及第三人之專利或著作權(quán)等智能權(quán)之應(yīng)用及配合時(shí), 則應(yīng)由貴公司負(fù)責(zé)取得同意及司應(yīng)為保證之責(zé)任. 又, 本公司僅單純販?zhǔn)郛a(chǎn)品, 上述關(guān)于同意及, 非屬本公之正式, 本公司之

2、所有產(chǎn)品不得使用于醫(yī)療器材, 維持生命系統(tǒng)及飛航等相關(guān)設(shè)備。目錄1引言22特性簡(jiǎn)介3超聲波測(cè)距模組簡(jiǎn)介3SPL10A2 模組簡(jiǎn)介42.12.23系統(tǒng)總體方案介紹53.1超聲波測(cè)距原理54系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)75系統(tǒng)設(shè)計(jì)86結(jié)語117參考文獻(xiàn)12科育推廣中心摘 要：SPCE061A 是科技推出的一個(gè) 16 位結(jié)構(gòu)的微控制器。SPCE061A 內(nèi)嵌 32K 字的閃存（FLASH），內(nèi)置兩AC，能單實(shí)現(xiàn)少量語音的存合帶有語音功能的品應(yīng)用。此外，SPC 061A 有 14器 A/B，時(shí)基，2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒等介紹了 61 板（SPCE061簡(jiǎn)發(fā)）接口等豐富的資源。本聲波測(cè)距模組所組成的超聲波測(cè)距系統(tǒng)

3、的原理、應(yīng)用，另外也介紹了 SPL10A 液晶顯示模組的應(yīng)用。該系統(tǒng)可廣泛應(yīng)用于小距離測(cè)距、機(jī)器人檢測(cè)、車輛以及家居安防系統(tǒng)等應(yīng)用方案。本系統(tǒng)主要介紹超聲波測(cè)距模組，并提供 SPCE061A 與該模組的接口函數(shù)。： SPCE061A、超聲波、LCD1 1引言為了研究和利用超聲波，人們已經(jīng)設(shè)計(jì)和制成了許多超聲波發(fā)生器?？傮w上講，超聲波發(fā)生器可以分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波，一類是用機(jī)械方式產(chǎn)生超聲波。電氣方式包括壓電型、磁致伸縮型和電動(dòng)型等；目前較為常用的是壓電式超聲波發(fā)生器；通常用于小距離檢測(cè)、物檢測(cè)等?？萍冀逃茝V中心為增加學(xué)生的學(xué)習(xí)，特提供了配合 SPCE061A 精簡(jiǎn)系統(tǒng)開發(fā)板

4、（61 板）使用的超聲波測(cè)距模組，并提供配套的程序、電路圖等全部資料，該模組可廣泛應(yīng)用于小距離測(cè)距、機(jī)器人檢測(cè)、車輛以及家居安防系統(tǒng)等領(lǐng)域。本文所介紹的方案正是采用 61 板結(jié)合超聲波測(cè)距模組，以及科技大學(xué)計(jì)劃的 SPL10A2 帶 LCD 顯示的 RTC 模組進(jìn)行的設(shè)計(jì)。2 2特性簡(jiǎn)介SPCE061A 是科技研發(fā)生產(chǎn)的性價(jià)比很高的一款十六位單片機(jī)，使用它可以非常方便的實(shí)現(xiàn)語音的錄放系統(tǒng)，該擁有 8 路 10 位精度的 ADC，其中一路為音頻轉(zhuǎn)換通道，并且內(nèi)置有自動(dòng)增益電路。這為實(shí)現(xiàn)語音錄入提供了方便的硬件條件。10 精度的 DAC，只需要外接功放（SPY0030）即可完成語音的。另外十六位單

5、片機(jī)具有易學(xué)易用的效率較高的一套指令系統(tǒng)和集成開發(fā)環(huán)境。在此環(huán)境中，支持標(biāo)準(zhǔn) C 語言，可以實(shí)現(xiàn) C 語言與匯編語言的互相調(diào)用，并且，提供了語音錄放的庫函數(shù)，只要了解庫函數(shù)的使用，就會(huì)很容易完成語音錄放，這些都為特性：16 位nSP微處理器；開發(fā)提供了方便的條件：工作電壓： 內(nèi)核工作電壓 VDD 為 3.03.6V(CPU) ， IO 口工作電壓 VDDHVDD5.5V(I/O)；為CPU 時(shí)鐘：0.32MHz49.152MHz ；內(nèi)置 2K 字 SRAM； 內(nèi)置 32K 閃存 ROM；可編程音頻處理；晶體振蕩器；系統(tǒng)處于備用狀態(tài)下(時(shí)鐘處于停止?fàn)顟B(tài))，耗電小于 HYPERLINK mailt

6、o:2A3.6V 2A3.6V； 2 個(gè) 16 位可編程定時(shí)器/計(jì)數(shù)器(可自動(dòng)預(yù)置初始計(jì)數(shù)值)；2 個(gè) 10 位 DAC(數(shù)-模轉(zhuǎn)換)輸出通道；32 位通用可編程輸入/輸出端口；14 個(gè)中斷源可來自定時(shí)器 A / B，時(shí)基，2 個(gè)外部時(shí)鐘源輸入，鍵喚醒；具備觸鍵喚醒的功能；使用音頻編碼 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒)，能容納 210 秒的語音數(shù)據(jù)；鎖相環(huán) PLL 振蕩器提供系統(tǒng)時(shí)鐘信號(hào)；32768Hz 實(shí)時(shí)時(shí)鐘；7 通道 10 位電壓模-數(shù)轉(zhuǎn)換器(ADC)和單通道聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器聲音模-數(shù)轉(zhuǎn)換器輸入通道內(nèi)置麥克風(fēng)放大器和自動(dòng)增益控制(AGC)功能；具備串行設(shè)備接口；低電壓復(fù)位(L

7、VR)功能和低電壓監(jiān)測(cè)(LVD)功能；內(nèi)置仿真板(ICE，In- Circuit Emulator)接口。超聲波測(cè)距模組簡(jiǎn)介2.1超聲波測(cè)距模組采用脈沖測(cè)量法，模組上由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器（本系統(tǒng)中為 61 板）控制；超聲波換能器諧振在 40KHz 的頻率，模組上帶有 40KHz其主要特性有：超聲波傳感器諧振頻率：40KHz；模組傳感器工作電壓：4.5V9V產(chǎn)生電路。3 模組接口電壓：4.55.5V三種測(cè)距模式選擇跳線 J1（短距、中距、可調(diào)距）： 短距：10cm80cm 左右（根據(jù)被測(cè)物表面材料決定）；中距：80cm400cm 左右（根據(jù)被測(cè)物表面材料決定）；可調(diào)：

8、范圍由可調(diào)節(jié)參數(shù)確定；2.2SPL10A2 模組簡(jiǎn)介模塊使用的 LCD 最多可顯示 99999.999 位數(shù)據(jù)，同時(shí)可顯示“錯(cuò)誤、常數(shù)、告警、異常、累計(jì)、余量、購量”提示、電池欠壓提示、閥門開啟提示、余量/增量條形提示，外接 8 個(gè)按鍵，一個(gè)復(fù)位鍵，預(yù)留電源、數(shù)據(jù)、蜂鳴器接口，可方便與任何一款 CPU 進(jìn)行軟硬件接口設(shè)計(jì)。LCD 顯示界面如下所示：SPL10A2 模組有內(nèi)建的 Real Time Clock (RTC)的功能，可以提供實(shí)時(shí)時(shí)鐘（年、月、日、分、秒）信息。Real Time Clock 功能需設(shè)定起始時(shí)間，否則系統(tǒng)會(huì)依據(jù)初始的設(shè)定開始計(jì)時(shí)。、時(shí)、4 3系統(tǒng)總體方案介紹系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)框

9、圖如圖3.1 所示，而圖 3.2 為超聲波測(cè)距模塊的硬件框圖。圖 3.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖圖 3.2 超聲波測(cè)距模組硬件框系統(tǒng)包括超聲波測(cè)距模組、SPL10A 液晶顯示模組、放音輸出部分、61 板及電源五部分。超聲波測(cè)距模塊主要由發(fā)射部分和接收部分組成，超聲波的發(fā)射受主控制器（本系統(tǒng)中為 61 板）控制；超聲波換能器諧振在 40KHz 的頻率，模塊上帶有 40KHz產(chǎn)生電路。SPL10A 液晶顯示模塊是一個(gè) 8 位段碼的 LCD，同時(shí)可以提供一個(gè)萬年歷功能；模組上帶有 8 個(gè)按鍵，本系統(tǒng)中用到了其中的四個(gè)按鍵；其中一個(gè)測(cè)量開始鍵，一個(gè)數(shù)據(jù)保存鍵，兩個(gè)數(shù)據(jù)翻閱鍵。測(cè)量結(jié)果的顯示用到三位數(shù)字段碼，格式

10、為 X 點(diǎn) XX 米，同時(shí)還用兩位數(shù)字段碼顯示數(shù)據(jù)的個(gè)數(shù)。電源采用 9V 的 DC 電源輸入，經(jīng)穩(wěn)壓管后得出 5V 以及 3.3V 的電源供系統(tǒng)各部分電路使用。3.1超聲波測(cè)距原理聲波在其介質(zhì)中被定義為縱波。當(dāng)聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射；反射波稱為回聲。假如聲波在介質(zhì)中的速度是已知的，而且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可以測(cè)量得到，從聲波到目標(biāo)的距離就可以精確地計(jì)算出來。這就是本系統(tǒng)的測(cè)量原理。這里聲波質(zhì)為空氣，采用不可見的超聲波。的介假設(shè)室溫下聲波在空氣中的速度是 335.5m/s，測(cè)量得到的聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間是 t 秒，距離 d 可以由下列公

11、式計(jì)算：5 圖超聲波接收頭超聲波發(fā)射頭超聲波發(fā)射調(diào)理電路模塊接口超聲波回波接收處理電路DC9V電源超聲波測(cè)距模塊61板IOA口IOB口DAC語音輸出SPL10 液晶顯示模塊（帶鍵盤）d=33550(cm/s)*t(s)為聲波經(jīng)過的距離是聲源與目標(biāo)之間距離的兩倍，聲源與目標(biāo)之間的距離應(yīng)該是 d/2。6 4系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)下圖 4.1 為超聲波測(cè)距模組的主要電路原理圖：VCC_5U2CR1 1.8KVCC6R3 5.1KCD4049UB/FP U2D10C3U2AU2BU1PLUS_EN1 43325224US1RQ 2 TRIG7DSICD4049UB/FPCD4049UB/FP U2E12CD40

12、49UB/FPWAVE1 WAVE 5 6CVoltTHRNE555 C1103R19 160R2510VCC_51112C2 103SuperSound_1C4CD4049UB/FP U2F15+C2222uC11 10422414CD4049UB/FPVCC_5R101MR7C6 10410KVCCR11 5.1kVCCU41U3BQ1 PNPUS2R6 10K8U3AEMITVCC+C9132376BACK_PLUSR857+IN+ COL OUTCOM_Line21321 6 -+-WAVEIN-STRBVCC- BLC45WAVE11000p10KNE5532VCC_5R4C5 10

13、K224NE5532LM311-8SuperSound_1R9 1MR123.3KR5 1MC13104J2C8 30pCOM ENC7 30p12EN圖 4.1 超聲波測(cè)距模組的主要電路原理圖注：電路中，CD4049 接的是 9V 的電源。整個(gè)電路可分為兩大部份，一部份是超聲波發(fā)射調(diào)理電路，另一部份是超聲波回波接收處理電路。用于驅(qū)動(dòng)超聲波傳感器的 40KHz 的由一片 NE555 搭成的多諧振蕩器生成，受控于控制器的PLUS_EN 信號(hào)；40KHz 的經(jīng)CD4049 調(diào)理后，成為振幅 18V 的，提高。發(fā)射頭發(fā)射出去的超聲波經(jīng)物反射后，反射到接收頭，而接收到的波形幅度非常小，所以在回波處理電

14、路中，把接收到的波形放大了 5000 倍，用的是 NE5532 搭成的兩級(jí)交流放大電路。經(jīng)放大后的波形送入，LM311 比較器；經(jīng)比較器調(diào)理后的波形成為，可送給 SPCE061A 的 EXT1 外部中斷。在模塊電路的設(shè)計(jì)中一定要注意，超聲波發(fā)射頭和接收頭之間的干擾；一般壓電式的超聲波換能器都會(huì)存在余波的干擾，發(fā)射頭和接收頭間要有 5cm 的距離；而在發(fā)射頭發(fā)射超聲波后的 3ms 內(nèi)，接收頭會(huì)一直接收到發(fā)射頭傳過來的非反射波，這是干擾波，在超聲波測(cè)距模組與 61 板的接口如圖 4.2 所示：VCC_5處理的時(shí)候一定要注意清除掉此類的干擾。J812BACK_PLUS 345678910COM_EN

15、1CON_line圖 4.2 超聲波測(cè)距模塊接口7 1 GND VCC 8 27495系統(tǒng)設(shè)計(jì)主程序的流程圖如圖5.1 所示：開始Y鍵按下?NY命令?圖 5.1 主程序流程圖根據(jù)模塊設(shè)計(jì)的功能要求，測(cè)距系統(tǒng)具有數(shù)據(jù)、顯示數(shù)據(jù)、語音報(bào)結(jié)果等功能，而系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)也正是據(jù)此而設(shè)計(jì)的；主程序作為整個(gè)程序的，可以從串行口、鍵盤輸入進(jìn)入各個(gè)功能子程序。超聲波測(cè)距，最重要的就是發(fā)射的控制及接收測(cè)量的時(shí)機(jī)的控制。而在本系統(tǒng)中，測(cè)距功能函數(shù)要和16Hz 的中斷、EXT1 外部中斷進(jìn)行配合測(cè)距的；下面分別給出三個(gè)流程圖。8 查詢數(shù)據(jù)保存數(shù)據(jù)進(jìn)入測(cè)距程序刷新顯示, 語音播報(bào)測(cè)量結(jié)果N是否有按串行口接收到顯示初始化掃鍵

16、分支系統(tǒng)初始化開始Y判斷上一次測(cè)量是否超時(shí)？N啟動(dòng)一次新的測(cè)量返回圖 5.2 16Hz 時(shí)基中斷流程圖開始返回圖 5.3 EXT1 外部中斷流程圖9 本次測(cè)量值 存入緩存，并進(jìn)行初步數(shù)據(jù)理關(guān)外部中斷EXT1部分標(biāo)識(shí)清零超時(shí)出錯(cuò)處理開始N當(dāng)次信號(hào)發(fā)射后是否超過了4msY本次測(cè)距的四次測(cè)量是否結(jié)束？Y返回圖 5.4 超聲波發(fā)射控制流程圖在設(shè)計(jì)中，驅(qū)動(dòng)超聲波換能器的 40KHz 是以 14 個(gè)脈沖的序列發(fā)射出去的，也就是說是以脈沖的形式進(jìn)行發(fā)射的。超聲波測(cè)距模塊中有 40KHz的產(chǎn)生電路，所以在 SPCE061A 對(duì)發(fā)射的控制也就是對(duì)40KHz產(chǎn)生電路的使能控制；14 個(gè) 40KHz 的脈沖序列的時(shí)

17、間為 350us，在程序是用延時(shí)來實(shí)現(xiàn)的。用戶每查詢一次距離，在系統(tǒng)中設(shè)計(jì)為要進(jìn)行四次的測(cè)量；這四次測(cè)量的間隔時(shí)間用 16Hz 的時(shí)基中斷來控制的。每一次測(cè)量，先發(fā)射 14 個(gè) 40KHz 脈沖，然后時(shí)間基準(zhǔn)計(jì)數(shù)器（在本系統(tǒng)中用 TimerB）開始計(jì)時(shí)，當(dāng)發(fā)射時(shí)間過 4ms 時(shí)，才打開 EXT1 外部中斷，等待回波反射到接收頭。發(fā)射后等待 4ms 是因?yàn)椋簤弘娛降碾娐晜鞲衅饕话愣紩?huì)存在余波干擾，而有部份聲波會(huì)沿電路板直接傳到接收頭，經(jīng)接收電路的5000 倍放大后，系統(tǒng)就有可能會(huì)把它誤認(rèn)為反射回來的回波信號(hào)。而指向性也是超聲波傳換能器的一個(gè)重要性能指標(biāo)，指向性不好的換能器在狹小且復(fù)雜的環(huán)境是無法

18、進(jìn)系統(tǒng)的最小測(cè)距為：70cm。量的。所以，傳感器的特性決定了本10 數(shù)據(jù)處理使能EXT1外部中斷等待檢測(cè)回波信號(hào)N使能16Hz時(shí)基中斷，以控制發(fā)射信號(hào)6結(jié)語、語音特色：在設(shè)計(jì)中充分發(fā)揮了 SPCE061A 的語音特性，測(cè)量結(jié)果采用液晶顯示與語音播報(bào)，讓產(chǎn)品更加人性化。、歷史數(shù)據(jù)：設(shè)計(jì)中，可以把測(cè)量得到的五十個(gè)數(shù)值存到 SPCE061A 中的 Flash 中，用戶可以隨時(shí)打開進(jìn)行查閱。、出錯(cuò)管理：對(duì)于測(cè)量時(shí)出錯(cuò)，在設(shè)計(jì)中會(huì)用語音來提示錯(cuò)誤，若第一次出錯(cuò)則提示：出錯(cuò)了；連續(xù)兩次出錯(cuò)則報(bào)：又出錯(cuò)了；若是連續(xù)三次出錯(cuò)，則會(huì)播報(bào)：好好檢查一下您的測(cè)量方法。這樣可以使整個(gè)系統(tǒng)更加人性化。結(jié)束語：公司的 SPCE061A的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其相關(guān)的開發(fā)，為開發(fā)帶語音特色的產(chǎn)品帶來了很大的方便；本系統(tǒng)僅是SPCE