ATmega16的語音型超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種以單片機(jī)ATmega16為核心的超聲波測(cè)距儀。該測(cè)距儀利用單片機(jī)ATmega16的輸入捕獲功能，測(cè)量超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射至接收探頭接收所經(jīng)過的時(shí)間；采用DS18B20測(cè)量環(huán)境溫度，補(bǔ)償溫度的變化對(duì)超聲波傳播速度的影響，提高測(cè)量精度；利用語音芯片ISD4004播報(bào)測(cè)量結(jié)果等語音信息。給出了測(cè)距儀的關(guān)鍵硬件電路、測(cè)量時(shí)間的輸入捕獲中斷子程序和錄音／放音子程序。測(cè)試結(jié)果表明，該測(cè)距儀測(cè)量精度高，語音播報(bào)清晰、流暢。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波測(cè)距；語音芯片；溫度補(bǔ)償

引言
用超聲波測(cè)量距離是一種非常實(shí)用的非接觸測(cè)量方法，廣泛應(yīng)用于物料液面測(cè)量、機(jī)器人定位、汽車防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的超聲波測(cè)距方法是用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)外部中斷來測(cè)量超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射到被接收探頭接收所經(jīng)過的時(shí)間t，再根據(jù)超聲波測(cè)量距離的公式S=vt／2進(jìn)行計(jì)算，得到距離S。這種方法除了多占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷源外，還會(huì)使測(cè)量時(shí)間t的誤差增大，降低測(cè)量精度。本文介紹了一種用AVR單片機(jī)ATmega16作為核心控制器的距離儀，該測(cè)距儀利用ATmega16輸入捕獲功能實(shí)現(xiàn)時(shí)間t的精確測(cè)量；用溫度傳感器DS18B20檢測(cè)周圍環(huán)境的溫度，補(bǔ)償溫度變化對(duì)超聲波傳播速度的影響，提高測(cè)量精度；用語音芯片ISD4004實(shí)現(xiàn)測(cè)距結(jié)果等語音信息的播報(bào)功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案
測(cè)距儀的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmega16作為核心控制器，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊電路的工作。超聲波發(fā)射模塊發(fā)射40 kHz的超聲波信號(hào)，超聲波接收模塊對(duì)接收到的回波信號(hào)進(jìn)行放大、濾波、比較，形成下降沿。溫度傳感器DS18B20負(fù)責(zé)對(duì)環(huán)境溫度進(jìn)行檢測(cè)，補(bǔ)償溫度變化對(duì)超聲波傳播速度的影響。顯示電路采用YM12864中文液晶顯示器，顯示當(dāng)前溫度和距離等信息。語音電路采用ISD4004語音芯片，該芯片采用SPI通信接口，可以方便地與ATmega16單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)播報(bào)測(cè)量距離等語音信息。

2 硬件電路
2．1 超聲波發(fā)射模塊
超聲波發(fā)射模塊電路如圖2所示。由ATmega16的PB3發(fā)送10μs的高電平至SN8P2501B的P2．2，當(dāng)P2．2檢測(cè)到高電平時(shí)，從P2．3輸出低電平，三極管Q1飽和導(dǎo)通，MAX3232接通電源，SN8P2501B內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生8個(gè)40 kHz的脈沖信號(hào)，由P2．4和P2．5推挽輸出，經(jīng)MAX3232升壓后推動(dòng)超聲波換能器發(fā)送超聲波信號(hào)。然后P2．3輸出高電平，三極管Q1截止，關(guān)斷MAX3232的電源，停止發(fā)射超聲波信號(hào)。

2．2 超聲波接收模塊
超聲波接收模塊電路如圖3所示。從超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波信號(hào)遇障礙物后返回，被接收探頭接收并轉(zhuǎn)換成微弱的電信號(hào)，經(jīng)集成運(yùn)算放大器TL074放大、濾波、比較后，產(chǎn)生下降沿，觸發(fā)SN8P2501B的P2．2引腳產(chǎn)生中斷，在中斷程序中將P2．1置高電平。高電平持續(xù)的時(shí)間即為超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射遇到障礙物后返回，并被接收探頭接收所經(jīng)過的時(shí)間。