检
测
与
转
换
技
术
设
计
方
案
电气09-3班
陈博宇
学号：22090243
超声波导盲仪设计报告
一、问题提出
人生活过程中95%的信息是通过视觉获得的。

盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来了莫大的困难。

如何安全行走, 是盲人生活中最大的问题。

传统的手杖使用起来有诸多不便，导盲犬的训练周期过长且价格较贵，不利于普及。

我们试图利用超声波测距实现导盲的功能，制作出使用方便、价格低廉的导
盲仪。

二、功能
当超声波发射装置发出的超声波被前方障碍物反射并被接收装置接收时，语音电路根据障碍物距离发出不同频率的报警声音，以提醒使用者。

此时使用者可按下设置的按键，报警响声中断，同时读出障碍物距离。

报警声响起时，电路板上的LED灯会亮起，以提醒路人让路。

我们还加入了菜单选择功能，用两个按键来实现此功能，按第一个键实现选择不同的报警范围（2.5米，2.0米,1.5米,1.0米）测距频率（200um,400um），音乐类型和使用版本的第一级选择，第二个按键实现具体的二级选择。

三、设计原理
该装置以 ATmega16单片机作为控制器，利用超声波回声测距的原理测距，用声音报警。

系统的硬件结构如图所示。

该系统基本主要由单片机控制系统、超声波发射电路、接收放大电路、按键控制和声音报警电路。

Atmega16用来控制、协调各部件的工作。

工作时先由单片机控制的振荡源产生信号以驱动超声波传感器，使它发射脉冲。

当第一个超声波脉冲发射后，计数器开始计数，在检测到第一个回波脉冲的瞬间，计数器停止计数，计算出从发射到接收的时间差Δｔ，最终利用Atmega16计算出距障碍物的距离。

所需元器件：
Atmega16一片，超声波探头TCT40一对，CD4049一片（1元），NE5532一片（一元），LM311—8一片（一元），BMP5008语音电路一块（35元）,0.5W扬声器一个（3元），四节电池盒一个（三元），四个10K，三个1M，一个5.1K的电阻（每个5分），三个224P，一个104P，一个30P，一个1000P的电容（每个5分）能自动变颜色的LED灯一个（8毛）。

1．超声波测距原理：
超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。

当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。

反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。

在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。

超声测距大致有以下方法：①取输出脉冲的平均值电压，该电压(其幅值基本固定)与距离成正比，测量电压即可测得距离；②测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔△t，故被测距离为S=S＝V·△t/2 。

本测量电路采用第二种方案。

由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，
则可认为声速基本不变。

如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。

所需公式：
测出发射和接收回波的时间差△t，然后求出距离S。

在速度v已知的情况下，距离S的计算公式如下：
在空气中，常温下超声波的传播速度是340米／秒，但其传播速度V易受空气
中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高1，
声速增加约0.6米/秒。

因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。

已知现场环境温度T时，超声波传播速度V的计算公式可近似如下：
声速与温度关系表：
2．硬件系统
(1) 超声波发射电路
单片机PB3端输出的40kHz方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极。

另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极。

用这种推挽形式将方波信号加到超声波换能器两端。

可以提高超声波的发射强度。

输出端采用两个反向器并联。

用以提高驱动能力。

此处反相器为CD4049。

(2) 超声波接收电路:
此电路前级采用NE5532构成10000倍放大器，对接收信号进行放大，后级采用LM311-8比较器对接收信号进行调整。

前级R1、C3 和R2、C4分别构成RC滤波电路，滤掉周围的杂波。

LM311-8的第七脚把接收到的信号送到单片机的PD2口。

(3)Mega16使用情况：
PB3接发射电路PD2接接收电路
PD3接按键
PA0-PA5接BMP5008模块的P00-P05
(4) 语音电路：
地址选段放音：将“P0 口功能选择端”接地，将JK2插座的P00—P05 定义为8421编码模
式，可以寻址1-62段内容。

端口接受3.3V电平。

如外部控制单片机采用的是5V供电的单片机，请加电平转换电路或芯片（直
接将5V电平加到5008 板的I/O 口上会损坏主芯片）。

8421 的编码说明如下：
P05 P04 P03 P02 P01 P00 （低电平有效）
0 0 0 0 0 0 停止放音（中断当前段播放）
1 1 1 1 1 1 为无效数据，如放音时，则放完当段语音；不打断原来
的放音状态。

1 1 1 1 1 0 放第一段录音
1 1 1 1 0 1 放第二段录音
1 1 1 1 0 0 放第三段录音。

0 0 0 0 0 1 放第六十二段录音
3 软件系统
设计思想：
利用T0 的CTC模式产生40kHz的方波通过PB3 输出到CD4049的第三脚。

用T1 256分频的T-Clock作为计时基本单位，通过读取TCNT1的值获取时间信息。

利用外部中断INT0捕捉接收电路的信号标志。

通过PD2脚把接收信号送回单片机触发中断。

按键中断通过INT1实现。

通过按键外部中断来控制语音电路是否读出距离。

单片机每过一段时间发送一段超声波，然后等待是否有反射超声波。

如果有则进入中断，否则继续发送。

通过INT2中断进入语音菜单子程序，然后用INT1和INT2两个中断进行功能选择。

测距程序流程图：
主要程序：
四、分工情况（括号内为贡献值）：
卢凯：软件编写及其调试，电路焊接（1/3）
沈婷婷：电路焊接，程序调试（1/3）
李琳：资料查询，材料购买，论文（1/3）
分值平分
五、设计方案
5.4 开始设计
5.10 购买材料
5.17 完成超声波收发电路的设计及焊接
5.20 程序最初版本完成，版本1.0.0
5.22 完成基本硬件，基本功能实现
5.23 重新写入程序后，没有声波发出，随后声波收发电路烧毁，重新开始
5.27 打算利用MAX232驱动超声波发射电路，由于频率过高失败
发现ICCAVR出现BUG，修改程序
杂波太多，计划用LM567选频
5.28 学习使用LM567，并焊接电路
6.1 发现问题出在语音芯片上，开始修改语音芯片控制程序，放弃LM567
6.9 语音芯片彻底坏掉，于是又买了一个新的，发现原来的那个一直存在问题
进展顺利
6.10 重写程序，完成测距和报数功能，程序升级到1.2.0
由于程序问题，必须用看门狗不停地RESET才能精确地测量
6.11 发现干扰太大，查找到原因是连接MCU和收发电路的排线太长，于是把排线去掉，把
三块电路板固定在一起，干扰信号消失
晚上，优化程序，想到了不用看门狗的方法，程序升级到1.3.0
6.12通过设定计时上限和在适当的时候关闭外部中断,解决几个报数时的BUG，并写入两段音乐
6.13 利用INT2中断，完成语音菜单功能，程序最终升级到2.1.3。