超声波测距模组应用方案v1

1、带语音功能的超声波测距统SPCE061 方案 2005. 2.19V .1 科技大学计划教育推广中心海淀上地信息产业FAX: 86-10-62962425中黎科技园 1 号楼 5 层: 86-10-62981668E-保留对此文件修改之权利且不另行通知。所提供之信息相信为正确且可靠之信息, 但并不保证本文件中绝无错误。请于向科技股份提出订单前, 自行确定所使用之相关技术文件及规格为之版本。若因贵公司使用本公司之文件或产品, 而涉及第三人之专利或著作权等智能权之应用及配合时, 则应由贵公司负责取得同意及司应为保证之责任. 又, 本公司仅单纯贩售产品, 上述关于同意及, 非属本公之正式, 本公司之

2、所有产品不得使用于医疗器材, 维持生命系统及飞航等相关设备。目录1引言22特性简介3超声波测距模组简介3SPL10A2 模组简介42.12.23系统总体方案介绍53.1超声波测距原理54系统硬件设计75系统设计86结语117参考文献12科育推广中心摘 要：SPCE061A 是科技推出的一个 16 位结构的微控制器。SPCE061A 内嵌 32K 字的闪存（FLASH），内置两AC，能单实现少量语音的存合带有语音功能的品应用。此外，SPC 061A 有 14器 A/B，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒等介绍了 61 板（SPCE061简发）接口等丰富的资源。本声波测距模组所组成的超声波测距系统

3、的原理、应用，另外也介绍了 SPL10A 液晶显示模组的应用。该系统可广泛应用于小距离测距、机器人检测、车辆以及家居安防系统等应用方案。本系统主要介绍超声波测距模组，并提供 SPCE061A 与该模组的接口函数。： SPCE061A、超声波、LCD1 1引言为了研究和利用超声波，人们已经设计和制成了许多超声波发生器。总体上讲，超声波发生器可以分为两大类：一类是用电气方式产生超声波，一类是用机械方式产生超声波。电气方式包括压电型、磁致伸缩型和电动型等；目前较为常用的是压电式超声波发生器；通常用于小距离检测、物检测等。科技教育推广中心为增加学生的学习，特提供了配合 SPCE061A 精简系统开发板

4、（61 板）使用的超声波测距模组，并提供配套的程序、电路图等全部资料，该模组可广泛应用于小距离测距、机器人检测、车辆以及家居安防系统等领域。本文所介绍的方案正是采用 61 板结合超声波测距模组，以及科技大学计划的 SPL10A2 带 LCD 显示的 RTC 模组进行的设计。2 2特性简介SPCE061A 是科技研发生产的性价比很高的一款十六位单片机，使用它可以非常方便的实现语音的录放系统，该拥有 8 路 10 位精度的 ADC，其中一路为音频转换通道，并且内置有自动增益电路。这为实现语音录入提供了方便的硬件条件。10 精度的 DAC，只需要外接功放（SPY0030）即可完成语音的。另外十六位单

5、片机具有易学易用的效率较高的一套指令系统和集成开发环境。在此环境中，支持标准 C 语言，可以实现 C 语言与汇编语言的互相调用，并且，提供了语音录放的库函数，只要了解库函数的使用，就会很容易完成语音录放，这些都为特性：16 位nSP微处理器；开发提供了方便的条件：工作电压： 内核工作电压 VDD 为 3.03.6V(CPU) ， IO 口工作电压 VDDHVDD5.5V(I/O)；为CPU 时钟：0.32MHz49.152MHz ；内置 2K 字 SRAM； 内置 32K 闪存 ROM；可编程音频处理；晶体振荡器；系统处于备用状态下(时钟处于停止状态)，耗电小于 HYPERLINK mailt

6、o:2A3.6V 2A3.6V； 2 个 16 位可编程定时器/计数器(可自动预置初始计数值)；2 个 10 位 DAC(数-模转换)输出通道；32 位通用可编程输入/输出端口；14 个中断源可来自定时器 A / B，时基，2 个外部时钟源输入，键唤醒；具备触键唤醒的功能；使用音频编码 SACM_S240 方式(2.4K 位/秒)，能容纳 210 秒的语音数据；锁相环 PLL 振荡器提供系统时钟信号；32768Hz 实时时钟；7 通道 10 位电压模-数转换器(ADC)和单通道声音模-数转换器声音模-数转换器输入通道内置麦克风放大器和自动增益控制(AGC)功能；具备串行设备接口；低电压复位(L

7、VR)功能和低电压监测(LVD)功能；内置仿真板(ICE，In- Circuit Emulator)接口。超声波测距模组简介2.1超声波测距模组采用脉冲测量法，模组上由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器（本系统中为 61 板）控制；超声波换能器谐振在 40KHz 的频率，模组上带有 40KHz其主要特性有：超声波传感器谐振频率：40KHz；模组传感器工作电压：4.5V9V产生电路。3 模组接口电压：4.55.5V三种测距模式选择跳线 J1（短距、中距、可调距）： 短距：10cm80cm 左右（根据被测物表面材料决定）；中距：80cm400cm 左右（根据被测物表面材料决定）；可调：

8、范围由可调节参数确定；2.2SPL10A2 模组简介模块使用的 LCD 最多可显示 99999.999 位数据，同时可显示“错误、常数、告警、异常、累计、余量、购量”提示、电池欠压提示、阀门开启提示、余量/增量条形提示，外接 8 个按键，一个复位键，预留电源、数据、蜂鸣器接口，可方便与任何一款 CPU 进行软硬件接口设计。LCD 显示界面如下所示：SPL10A2 模组有内建的 Real Time Clock (RTC)的功能，可以提供实时时钟（年、月、日、分、秒）信息。Real Time Clock 功能需设定起始时间，否则系统会依据初始的设定开始计时。、时、4 3系统总体方案介绍系统的结构框

9、图如图3.1 所示，而图 3.2 为超声波测距模块的硬件框图。图 3.1 系统结构框图图 3.2 超声波测距模组硬件框系统包括超声波测距模组、SPL10A 液晶显示模组、放音输出部分、61 板及电源五部分。超声波测距模块主要由发射部分和接收部分组成，超声波的发射受主控制器（本系统中为 61 板）控制；超声波换能器谐振在 40KHz 的频率，模块上带有 40KHz产生电路。SPL10A 液晶显示模块是一个 8 位段码的 LCD，同时可以提供一个万年历功能；模组上带有 8 个按键，本系统中用到了其中的四个按键；其中一个测量开始键，一个数据保存键，两个数据翻阅键。测量结果的显示用到三位数字段码，格式

10、为 X 点 XX 米，同时还用两位数字段码显示数据的个数。电源采用 9V 的 DC 电源输入，经稳压管后得出 5V 以及 3.3V 的电源供系统各部分电路使用。3.1超声波测距原理声波在其介质中被定义为纵波。当声波受到尺寸大于其波长的目标物体阻挡时就会发生反射；反射波称为回声。假如声波在介质中的速度是已知的，而且声波从声源到达目标然后返回声源的时间可以测量得到，从声波到目标的距离就可以精确地计算出来。这就是本系统的测量原理。这里声波质为空气，采用不可见的超声波。的介假设室温下声波在空气中的速度是 335.5m/s，测量得到的声波从声源到达目标然后返回声源的时间是 t 秒，距离 d 可以由下列公

11、式计算：5 图超声波接收头超声波发射头超声波发射调理电路模块接口超声波回波接收处理电路DC9V电源超声波测距模块61板IOA口IOB口DAC语音输出SPL10 液晶显示模块（带键盘）d=33550(cm/s)*t(s)为声波经过的距离是声源与目标之间距离的两倍，声源与目标之间的距离应该是 d/2。6 4系统硬件设计下图 4.1 为超声波测距模组的主要电路原理图：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图 4.1 超声波测距模组的主要电路原理图注：电路中，CD4049 接的是 9V 的电源。整个电路可分为两大部份，一部份是超声波发射调理电路，另一部份是超声波回波接收处理电路。用于驱动超声波传感器的 40KHz 的由一片 NE555 搭成的多谐振荡器生成，受控于控制器的PLUS_EN 信号；40KHz 的经CD4049 调理后，成为振幅 18V 的，提高。发射头发射出去的超声波经物反射后，反射到接收头，而接收到的波形幅度非常小，所以在回波处理电

14、路中，把接收到的波形放大了 5000 倍，用的是 NE5532 搭成的两级交流放大电路。经放大后的波形送入，LM311 比较器；经比较器调理后的波形成为，可送给 SPCE061A 的 EXT1 外部中断。在模块电路的设计中一定要注意，超声波发射头和接收头之间的干扰；一般压电式的超声波换能器都会存在余波的干扰，发射头和接收头间要有 5cm 的距离；而在发射头发射超声波后的 3ms 内，接收头会一直接收到发射头传过来的非反射波，这是干扰波，在超声波测距模组与 61 板的接口如图 4.2 所示：VCC_5处理的时候一定要注意清除掉此类的干扰。J812BACK_PLUS 345678910COM_EN

15、1CON_line图 4.2 超声波测距模块接口7 1 GND VCC 8 27495系统设计主程序的流程图如图5.1 所示：开始Y键按下?NY命令?图 5.1 主程序流程图根据模块设计的功能要求，测距系统具有数据、显示数据、语音报结果等功能，而系统的结构也正是据此而设计的；主程序作为整个程序的，可以从串行口、键盘输入进入各个功能子程序。超声波测距，最重要的就是发射的控制及接收测量的时机的控制。而在本系统中，测距功能函数要和16Hz 的中断、EXT1 外部中断进行配合测距的；下面分别给出三个流程图。8 查询数据保存数据进入测距程序刷新显示, 语音播报测量结果N是否有按串行口接收到显示初始化扫键

16、分支系统初始化开始Y判断上一次测量是否超时？N启动一次新的测量返回图 5.2 16Hz 时基中断流程图开始返回图 5.3 EXT1 外部中断流程图9 本次测量值 存入缓存，并进行初步数据理关外部中断EXT1部分标识清零超时出错处理开始N当次信号发射后是否超过了4msY本次测距的四次测量是否结束？Y返回图 5.4 超声波发射控制流程图在设计中，驱动超声波换能器的 40KHz 是以 14 个脉冲的序列发射出去的，也就是说是以脉冲的形式进行发射的。超声波测距模块中有 40KHz的产生电路，所以在 SPCE061A 对发射的控制也就是对40KHz产生电路的使能控制；14 个 40KHz 的脉冲序列的时

17、间为 350us，在程序是用延时来实现的。用户每查询一次距离，在系统中设计为要进行四次的测量；这四次测量的间隔时间用 16Hz 的时基中断来控制的。每一次测量，先发射 14 个 40KHz 脉冲，然后时间基准计数器（在本系统中用 TimerB）开始计时，当发射时间过 4ms 时，才打开 EXT1 外部中断，等待回波反射到接收头。发射后等待 4ms 是因为：压电式的电声传感器一般都会存在余波干扰，而有部份声波会沿电路板直接传到接收头，经接收电路的5000 倍放大后，系统就有可能会把它误认为反射回来的回波信号。而指向性也是超声波传换能器的一个重要性能指标，指向性不好的换能器在狭小且复杂的环境是无法

18、进系统的最小测距为：70cm。量的。所以，传感器的特性决定了本10 数据处理使能EXT1外部中断等待检测回波信号N使能16Hz时基中断，以控制发射信号6结语、语音特色：在设计中充分发挥了 SPCE061A 的语音特性，测量结果采用液晶显示与语音播报，让产品更加人性化。、历史数据：设计中，可以把测量得到的五十个数值存到 SPCE061A 中的 Flash 中，用户可以随时打开进行查阅。、出错管理：对于测量时出错，在设计中会用语音来提示错误，若第一次出错则提示：出错了；连续两次出错则报：又出错了；若是连续三次出错，则会播报：好好检查一下您的测量方法。这样可以使整个系统更加人性化。结束语：公司的 SPCE061A的结构特点及其相关的开发，为开发带语音特色的产品带来了很大的方便；本系统仅是SPCE