超声波语音测距系统在车辆避障中的应用

超声波语音测距系统在车辆避障中的应用

The Application of Vehicle Obstacle Avoidance with Ultrasonic Voice Location System

（重庆三峡学院）谭进怀 冯地耘 陈立万

TAN JIN HUAI FENG DI YUN CHEN LI WAN 摘要：介绍了一种基于单片机控制的超声波语音测距系统。采用多路超声波语音测距电路的测量方法，提高了距离测量的精度和准确性，实现了车辆全方位避障的可能性。给出了超声波语音测距系统在车辆避障中的实际应用。

关键词：超声波；语音测距；车辆避障

中图分类号:TP216 文献标识码:B

Abstract: A ultrasonic voice location system based on Single Chip Microcomputer is presented in this paper.By using multi-channels circuit of measuring distance,the precision and stability of this system is improved greatly,and the feasibility of omnidirectional vehicle obstacle avoidance may be realized. The application of ultrasonic sound system of measuring distance is also presented in this paper .

Key words：Ultrasonic， Voice location， Vehicle Obstacle Avoidance

1 引言

在车辆系统中，目前没有设置避障测量装置。车辆避障只能靠驾驶员通过人眼观察，凭感觉对其前后方、左右方进行分析和判断。为了实现车辆与车辆之间和车辆与障碍物之间的避障，必须事先知道车辆与车辆之间和车辆与障碍物间的实际距离，从而可减少和避免交通事故的发生。超声波语音测距系统可在车辆行驶和倒车过程中，实现车辆避障测量预报。驾驶员根据预报，提前做好车辆避障工作。为了做到高精度、高准确性，本系统采用8路超声波测距通道，通过角度补偿方式，实现对车辆前后、左右方主要障碍物的方位与距离测量信息更加准确。

目前，在距离测量的检测技术中，多采用时钟法和时差法实现距离的测量。这两种测量都是通过数字化方法显示其测量结果，这将给精确测量带来误差。另外，如果将其用于车辆间距离的测量，势必分散驾驶员注意力，其后果不堪设想。对此，本系统采用P89C51单片机为控制核心，利用ISD2560语音芯片所具有的语音处理技术，实现测量自动控制，测距更准确，测量结果语音报数。同时，利用声波在空气中的传播特性，实现非视力范围的测量。

2 硬件电路设计

测距系统主要由超声波发射与接收电路，单片机和语音电路组成，测距系统原理框图如图1所示。

图1 测距系统原理框图

谭进怀：高级实验师

基金项目：重庆市教委科学技术研究项目（000903）

超声波测距是通过不断检测超声波发射后遇到障碍物所反射的回波，从而测出发射和接收回波的时间差，然后计算出发射点与障碍物之间的距离。由于时间与超声波通过的距离成正比，当超声波发射端发出几个脉冲时，开始计时；而当超声波接收端接收到第一个返回脉冲后，停止计时。测得的距离S 的计算公式如下：

S=v ΔT/2

其中v 为声波在介质中的传播速度（v=331.41+t/273 m/s,t 为摄氏温度），ΔT 为超声波发射到返回的时间差。这样，当测得超声波发射和接收回波的时间差和传播速度（声速）已知的情况下，就可以精确计算出发射点到障碍物之间的距离。

2.1 超声波发送与接收电路

超声波发送与接收电路由功率放大电路、超声波发射传感器、高速运算放大电路和超声波接收传感器组成，原理电路如图2所示。

图2 超声波发送与接收电路图

放大器输入端获得一个来自单片机送来的工作频率为40kHz 的脉冲信号。通过功率放大电路放大到足够大的能量（增大超声波传播距离），该能量加给超声波发射传感器TCT40-2F ，驱动超声波发射头发射出40 kHz 脉冲波，并通过空间向外传播出去。

超声波在空气中传播时，其能量衰减程度与传播距离成正比，所以超声波传感器接收信号一般在1mv ~1v 之间。为了能够测量，接收电路采用了由LM318高速运算放大器组成两级信号放大电路对其进行放大，以满足增益带宽和转换速率的要求。当超声波接收传感器TCT40-2S 接收到返回的超声波信号，接收传感器将超声波脉冲变为交变电信号。该信号经放大器放大到大于25 mv 时，送至音频译码器LM567进行处理。经音频译码器检波后，译码器输出信号由高电平跃变为低电平，作为中断信号送至单片机。

2.2语音电路

为了实现直接读数，减小测量误差，利用单片机所具有的计算功能，结合语音处理技术，通过语音电路，将测量结果直接读出。语音电路以ISD2560语音芯片为核心器件，通过接入少量外围元件就可组成语音电路，电路如图3所示。

图3语音电路图

语音电路易于与微机接口，能进行分段寻址。分析所有测量值，设计出语音元素（前方、左方、右方、后方、厘米）和对应的地址（010H、020H、030H、040H、130H）等，通过图3所示电路，分别录制语音元素，这些信息存于语音电路ISD2560非易失性存储单元NMC 中。测量数据经过单片机软件处理后，单片机发出语音地址和放音控制指令，同存储在语音芯片内部的语音地址进行比较，当两者相匹配时，最后由语音电路，并通过扬声器报出测量结果。

2.3 单片机控制电路

单片机控制电路主要完成超声波的发送与接收控制、计时和串口通信等工作，电路原理图如图4所示。

图4单片机控制电路

超声波收发电路主要完成数据的采集和预处理工作。考虑到车辆不止单个方向需要避障，测距系统采用8路发送电路，单循环方式依次发射和接收超声波，并单独对各路进行距离的时间计数。其目的是使计数程序避免受到反射波间的干扰影响，计数更准确。单片机有8位数据口，系统对8路收发电路进行实时控制，完成计时和测量距离的计算工作。

单片机完成收发动作后，将测量距离的计算数据通过标准串行总线通信接口RS232，进行PC 机与单片机之间的通讯，实现测量结果的记录、分析及处理。串口通讯硬件电路由具有电平转换功能的芯片MAX232及外围元件组成。

3 软件程序设计

3.1 测量控制系统

测量控制系统流程图如图5所示。

P1.0

P1.1P1.2P1.3P1.4P1.5P1.6

P1.7Vc c P0.0P0.1P0.2P0.3P0.4P0.5P0.6P0.7EA/Vpp ALE /P ROG PS EN P2.7P2.6P2.5P2.4P2.3P2.2P2.1P2.0

RST /VpD

P3.0P3.1P3.2P3.3P3.4P3.5P3.6P3.7XTA L2XTA L1

Vss

P89C51

K 1K 2K 3K 4K 5K 6K 7K 8K9C31uf C21uf C5

1uf C41uf

C11uf

MAX232

vcc 5v

vcc 5v 1234

56

7891011121314

15

16TT RR M1M0

++

++C1+V+C1-C2+

C2-V-T2OUT R2IN OUT T2IN

T1IN R1OUT R1IN T1OUT GND

Vcc