具有实时语音播报的超声波测距测速仪

具有实时语音播报的超声波测距测速仪（C题）

摘要：本文研究容为实时语音播报的测距测速仪，利用超声波进行距离测量,测量精度在厘米级别,适用于近距离测距。本系统以STC12C5A60S为微处理芯片，

其产生40kHz频率，再利用超声波换能器TCT40-16T产生超声波信号并发

射出去，由TCT40-16R接收超声波信号，并利用超声波专用芯片CX20106A

检波、处理超声波信号，最后发送给微处理器。微处理器通过计算得到与障

碍物的距离，并通过所得距离计算出物体的移动速度。微处理器通过串口控

制JQ6500语音模块。当微处理器计算得到障碍物的距离和物体移动速度

时，微处理器发送指定的命令，驱动语音模块播放保存在FLASH中的语音,

实现实时语音播报。

关键词:STC12C5A60S2;JQ6500;超声波。

1 系统方案设计

1.1 设计任务

根据命题要求，设计并制作一台具有实时语音播报的超声波测距测速仪。

A. 具有超声波测距功能，测量距离0.2m～3.0m，测距精度±1cm；

B. 自动语音实时播报测量距离数值；实时播报时间间隔t≤10s；实时语音播报清晰明亮、无明显失真，在1米距离处人耳能准确分辨。

C. 实时显示测量的距离和速度，并且显示容要与语音播报容同步。

1.2 总体设计方案

具有实时语音播报的超声波测距测速仪由6部分组成：超声波发射模块、超声波接收模块、51单片机最小系统、LCD1602显示模块、JQ6500语音播报模块、按键模块组成。

图1-1 超声波测距测速仪组成图

1.3 声波测速测距原理

1.3.1声波测距原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，在发射的同时开始计时，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来，超声波接收器收到发射波就立即停止计时。假设超声波在空气中的传播速度为V，根据计时器记录的时间T，发射点距障碍物的距离S,如图1-2所示。

M

S T R

a

图1-2 声波测距示意图

两探头中心距离的一半用M 表示，超声波单程所走过的距离用L 表示，可得：

（公式1-1）

（公

式1-2）

在整个传播过程中，超声波所走过的距离为：

（公式1-3）

由公式（公式1-1）、（公式1-2）、（公式1-3））可得：

（公式1-4）

当被测距离S 远远大于M 时，上式变为： （公式

1-5）

因为本设计测距精度为厘米级别，对误差要求不是很高，所以将声速取值为在20℃的时的传播速度，即V=344米/秒。

1.3.2声波测速原理

超声波发射器向某一方向发射超声波，超声波在空气中传播，途中碰到障碍物就立即返回来。如图1-4所示，其中S 为测得物体与障碍物的距离，为车的速度，为超

声波发射器发出一次超声波的间隔。

S

V 0

图1-3 声波测速示意图

可得物体的速度:

（公式1-6）

（公式1-7）

2 硬件设计

2.1 电源稳压电路

LM2940是常用的三端稳压器，能提供DC5.0V的输出电压，含过流和过载保护电路。

稳压电路的供电是由5节南孚电池组成，方便携带和使用。在LM7805的输入端并联了两个电容，一个是电解电容，一个是普通的电容，电解电容起到防止电流过大而烧坏芯片，而普通电容起到滤波作用。在输出端与地端接了一个LED和一个电阻，这样可以显示LM7805是否正常工作。

图2-1 稳压电路图

2.2 超声波发射与接收电路

超声波发射模块是由超声波发射探头组成的，单片机的TXT端口直接发送40kHz 的信号，直接驱动压电晶片使超声波换能器产生超声波，如图2-2所示。

图2-2 超声波发射电路图

超声波接收电路由超声波接收探头和超声波接收处理芯片组成。在接收电路中，使用超声波接收处理芯片CX20106A，由它处理40kHz的超声波信号。且这块芯片具有很强的抗干扰能力，因此增强了测量的精确度，增加一个电源指示灯，用来判断该模块是否接通。如图2-4所示。

图2-3 超声波接收点路示意图

2.3 显示电路

图2-4 1602显示图

其目的是用来显示所测得的距离和速度。其中LCD1602的DB0~DB7与微处理器P0口相连接，EN、RW、RS分别接P2.3~P2.5端口，用来传输数据。电位器R12用来调节液晶对比度，使LCD1602显示屏幕更加清晰明亮。微处理器将超声波接收器接收的信号进行处理，来驱动LCD1602显示当前距离S和速度V。

2.4 声波测速测距语音播报电路

图2-5 语音播报电路图

语音模块由电源指示灯、语音芯片、电容3部分组成。在电源处并联3个220μF 的电解电容作用是用来储能放电，驱动喇叭正常工作。

JQ6500是一个提供串口的MP3芯片，微处理器通过串口控制来实现语音播报。

3 软件模块

3.1 系统程序的结构

A. 测距测速模块，分为超声波发射控制程序、接收处理程序等；

B. 基于LCD显示模块，分为初始化程序、写入命令、读取子程序等；

C. 语音播报模块，分为初始化程序、按键控制、发送数据函数、语音播报等；

D. 主程序分为系统初始化以及各个子程序的调节管理等部分。如图3-1所描述各个模块的关系：

图3-1 系统软件框图

3.2 主程序设计

图3-2 主程序框图3.3 LCD显示模块

图3-3 LCD显示程序框图3.4 语音播报模块