基于单片机的带有汉字显示及语音播报的超声波测距系统设计大学论文.docx
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基于单片机的带有汉字显示及语音播报的超声波测距系统设计大学论文
摘要
测量作为各领域一个重要的工具,有着悠久的历史。
在我国,早在秦始皇时期就已经统一了度量衡,推行“一法度衡量丈尺,车同轨,书同文字”,并制定了一套严格的管理制度。
同样,测量的方法及使用的仪器也有着纷繁复杂的选择,比如有游标式测量仪器,机械式测量仪器,电学式测量仪器等。
随着科学技术的发展,超声波测量法在众多测量方法中脱颖而出,由于超声波具有方向性好,穿透性强,尤其是在光不透明的固体中,它碰到杂质或分界面就有显著的反射等优点,超声波测距在测量中的应用越来越广泛,笔者设计的是一个多功能的带有汉字显示及语音播报的超声波测距系统。
本文系统介绍了一种基于单片机CC2530的带有汉字显示及语音播报的超声波测距系统。
整个电路采用模块化设计,硬件部分由超声波测距模块、单片机模块、温度传感器模块、语音播报模块、LCD显示模块组成,软件部分由测距发送模块,播报显示模块组成。
本文给出了详细的软,硬件设计方案。
本超声波测距仪测量距离0.20m~5.00m,测距精度±1㎝,具有汉字显示及语音播报等功能,测量时与待测物体无直接接触,具有整体性好,精度高,可靠性好,控制简单方便等特点。
本设计完成实物的制作,实物效果能达到设计要求。
关键词:
测距仪,单片机,超声波,TMP275温度传感器,Nokia5110液晶显示器,WT588D
ABSTRACT
Asasignificanttoolinvariousfields,measuringhasalonghistory.InChina,itcandatebacktotheperiodofQinShiHuang,whostandardizedthesystemofweightsandmeasures,promoted“Applythesamesystemofmeasuringmethodsandtools,thesameroadwidthandthesamewrittenlanguage”,andalsoformulatedasetofstrictmanagementsystem.Similarly,measuringmethodsandequipmentalsohaveacomplicatedchoice,suchasverniermeasuringequipment,mechanicalmeasuringequipmentandelectricalmeasuringequipmentetc.Withthedevelopmentofscienceandtechnology,theultrasonicmeasurementmethodhasstoodoutfromnumerousmeasuringmethods.Asithastheadvantagesofgooddirectionandstrongpenetrability,especiallyintheopaqueobjects,itcanreflectwhenitencounterimpurityorinterface.Theapplicationofultrasonicdistancemeasurementinmeasuringbecomesincreasinglyextensiveinmeasuring.TheauthorhasdesignedamultifunctionalultrasonicdistancemeasurementsystemwithChinesedisplayandvoicebroadcast.
ThispapersystematicallyintroducesanultrasonicdistancemeasurementsystemwithChinesedisplayandvoicebroadcastbasedonCC2530singlechipmicrocomputer.Thewholecircuitadoptsmodulardesign;thehardwarepartconsistsofultrasonicrangingmodule,singlechipmicrocomputermodule,temperaturesensingmodule,voicebroadcastingmoduleandLCDdisplayingmodule;thesoftwarepartconsistsofdistancemeasurementandwirelesstransmittingmoduleaswellasvoicebroadcastinganddisplayingmodule.Thispaperpresentsthedetaileddesignschemeofsoftwareandhardware.Theultrasonicdistancemeasurementsystemcanmeasurethedistancefrom0.2mto5mandhastheprecisionof±1cm,whichhasChinesedisplayandvoicebroadcastfunction.Thereisnodirectcontactwhenmeasuringthedistanceofthespecificobjectwithgoodintegrity,highprecision,goodreliabilityincontrol,simpleandgreatconvenient.
Thisdesignhascompletedthemanufactureofthephisicalproduction,theeffectcanmeetthedesignrequirements.
Keywords:
Rangefinder,Singlechipmicrocomputer,Ultrasonicwave,TMP275temperaturesensor,Nokia5110LCDmonitor,WT588D
1绪论
1.1课题设计目的及意义
1.1.1设计的目的
随着科学技术的快速发展,超声波将在测距仪中的应用越来越广。
但就目前的急速水平来说,人们可以使用特定的测距技术仍然是非常有限的,所以这是一个有无限前景的技术和产业[1]。
展望未来,超声波测距仪在各方面都将是非常重要和有用的工具,作为一种新型的超声波测距仪,将有很大的发展空间,并向更高精度的定位方向发展,满足日益发展的社会需求,如声纳的发展基本趋势:
研制具有更高定位精度的被动测距声纳,以满足水中武器实施全隐蔽攻击的需求;继续发展采用低频线谱检测的潜艇拖拽线列阵声纳,实现超远程的被动探测和识别;研制更适合与前还工作的潜艇声纳,特别是解决浅海水中目标识别问题;搭理降低潜艇自噪声,改善潜艇声纳的工作环境[2]。
毋庸置疑,无线的超声波测距仪将于自动化智能化接轨,与其他的测距仪集成和融合,形成多测距仪。
随着测距仪的技术进步,测距仪将从具有单纯判断功能发展到具有学习功能,最终发展到具有创造力。
在新的世纪里,面貌一新的测距仪将发挥更大的作用。
1.1.2设计的意义
随着科学技术的发展,人们生活水平的提高,城市发展建设加快,拥有汽车的市民越来越多,而倒车后视不良一直是困扰驾驶员,特别是新手的难题。
倒车测距仪能以语音或者更为直观的文字形式告知驾驶员车与周围障碍物的具体距离,帮助驾驶员扫除视野死角和消除视线模糊所带来不可预知的后果,提高驾驶的安全性。
倒车测距仪是一个由单片机控制的汽车泊车安全辅助装置。
该测距仪讲单片机的实时控制及数据处理功能与超声波的测距技术、传感器技术相结合能够测量并显示车辆后部障碍物里车辆的距离驾驶员不但可以直接观察到显示的距离还可以凭听觉判断车后障碍物离车辆的远近解除了驾驶员泊车和起动车辆时前后左右探视所引起的困扰并可以帮助驾驶员扫除视野死角和视线模糊的缺陷提高驾驶的安全性。
因此,设计好的超声波测距仪就显得非常重要了。
这就是我设计超声波测距仪的意义。
1.2超声波测距系统的现状和发展
1.2.1发展历史
我国,关于超声的大规模研究始于1956年。
迄今,在超声的各个领域都开展了研究和应用,其中有少数项目已接近或达到了国际水平。
《超声波测距原理及实践技术》的作者中国测试技术研究所李茂山在文章中详细地阐述了超声波的测距原理,并给出了具体的超声波测距框图,讨论超声波距离测量精度的影响,并列出了几个原因。
在这篇文章中,他并没有具体地提及一些超声波测距仪所需的电路,只是给了平常所需的电路的名称,也没各种电路之间的兼容。
1998年,曼内斯德马泰克(秦皇岛)有限公司推出了一种数字式超声波位移测量仪,李忠杰在《数字式超声波位移测量仪的研究》一文中阐述了数字超声波位移计的结构,工作原理和功能,通过单片微型计算机处理其数据,在文章的程序框图中,详细描述了仪器的硬件电路的各部分,并且给出了的仪器测得的数据,和分析的产生误差的根本。
在这篇文章中给出在对液压缸位移进行测量时与其它位移传感器利用超声波测距仪和优点,并列出了一个单片微型计算机程序框图。
《双频超声波测距》的作者中国科学院上海声学实验室王润田提出了双频超声波测距的方法和原理,由于空气对超声波的平方与超声波的吸收成正比,因此,用来测量距离的超声波的频率应保持在一个适中的范围,不能太高[3];但另一方面,频率越低,波长越长,测量距离时的绝对误差就越大,测量精度与加大测距范围实际上是很矛盾的。
他提出,为了在一个较长的范围内达到测距的精度,在测距时同时发射两个频率的超声波,频率较大的测较近的距离,频率较小的测较长的距离,这样在较大的范围内实现较高的测距精度。
而国外关于超声波测距研究的主力是莱卡公司。
1996莱卡Power型迪士通在日光下也能进行长距离测量。
1998莱卡迪士通推出basic型产品。
作为第二代的迪士通,它不仅代表了新的技术飞跃,在设计上也跃上新的台阶:
多功能底座、电池供电、快速测距等无不体现了莱卡对创新的执着。
1998莱卡迪士通推出memo和pro型,增加了数据存储功能和应用程序。
再次引发测量技术革命。
迪士通memo型能存储1000个测量值,实现智能化的测量,pro型则答应应用相关的程序进行高精密测量,成为莱卡迪士通家族中顶级的手持激光产品。
带内存的pro不光能直接用于测量,也能进行联机操作[4]。
1999莱卡迪士通第三代classic产品诞生。
莱卡测量系统的手持激光测距仪取得了新的技术突破。
classic3取代basic,仍旧沿袭着手持测距技术世界领先的地位。
它保留了basic型诸如可靠、易于使用、精度高等使之成为行业首选产品的知名性能,又取得了要害性的进步:
体积更小、重量更轻、测距更快和价格更优。
耐用、防水的classic3堪称30m到100m乃至更远距离测量应用的理想工具。
2001创新不断,莱卡测量系统又创立了新的技术标准,率先在手持激光测距仪上采用字母数字单片机毕业论文式混合键盘。
新一代迪士通成为迪士通发展历程上新的里程碑。
它包括四类产品:
莱卡迪士通lite、迪士通classic4、迪士通pro4和迪士通pro4a。
2002测量从未如此简单。
莱卡测量系统推向市场的第五代迪士通产品中,新增了两款独特的型号,莱卡迪士通lite5和classci5。
一键按发使测量变得前所未及的简单便捷,在0.2m到200m之间,单次测量时间用不到1秒。
用lite5,每项工作如测距、计算面积或体积都能用已明确定义的按键容易实现。
classic5则以轻触式的键盘和为方便长距离测量而内置的望远镜给人留下深刻印象。
事实上,作为多年的市场领先者,莱卡测量系统深得信赖。
1.2.2研究现状
随着时代的发展,电子领域出现了超声波测距,微波雷达测距,激光测距。
微波雷达测距法和激光测距法由于难度和造价高,通常只在军工领域中使用,超声波测距法适用于民用是因为它难度低,成本少。
这项技术也可用于工业测量领域。
由于超声波指向性强,能量消耗缓慢,在介质中传播的距离较远,因而超声波常常用于距离的测量,如测距仪和物位测量仪等都可以通过超声波来实现[5]。
因为超声波检测快速、方便、计算容易、实现实时控制简单的特点,并且超声波检测在测量精度方面也能达到工业生产的标准,因此在移动机器人的研制上也得到了非常多的应用。
随着自动测量和微机技术的发展,超声波测距的理论已经成熟,超声波测距的应用也非常广泛。
非接触方式是超声波测距的检测方法。
比较其他方法,如光学或电磁的方法,要被测量的对象的颜色或光的明亮,都不是影响超声波测距的因素。
能适应如被测物体在黑暗中,烟雾,电磁的干扰,粉尘和有毒有害气体的场合。
所以在目标识别,智能控制,GPS自动导航,测量液体在密封容器或开口容器中的高低等领域有广泛使用。
尤其是在空气测距的应用,由于在空气中超声波的速度相对在其他介质中的速度慢,因此检测出其返回时超声波信号中包含的沿传播方向上的结构信息相对简单,分辨精度很高,因而比其他方法测得的数据更为准确;同时结构清晰简易、仪器自身比较小、信号处理可靠等都是超声波感应器相比其他测距方法的优点。
因此本设计也是利用超声波来测量距离。
2
系统的总体方案设计
2.1系统的主要功能
1)具有超声波测距功能,测量距离0.20m~5.00m测距精度±1㎝。
2)具有测量距离数值无线传输功能。
3)实时显示测量的距离,显示格式为:
X.XXm。
4)汉字提醒显示:
距离在0.40m~1.00m,显示“危险距离”并用红色LED灯指示;距离在1.00m~2.00m,显示“保持距离”,并用黄色LED灯指示;距离在2.00m以上,显示“安全距离”并用蓝色LED灯指示。
5)具有实时语音播报功能,实时播报测量距离数值,格式:
X.XXm,实时播报时间间隔≤10s,实时播报声音清晰明亮、无明显失真,在1m距离处人耳能准确分辨。
语音播报要与显示同步。
2.2硬件总体设计框图:
超声波测距器系统设计框图如图2-1所示详情如下:
图2-1超声波测距器系统设计框图
2.3测距发送模块框图
测距发送模块如图2-2所示详情如下:
图2-2测距发送模块设计框图
2.4播报及显示模块框图
播报及显示模块如图2-3所示详情如下:
图2-3播报及显示模块设计框图
2.5硬件的选型
2.5.1单片机选型
方案一:
采用AT89C51,数据RAM大小128B,程序存储器大小4KB,2个定时/计数器,直插40个引脚,可采用C语言编程,引脚多,使用方便,但没有无线收发功能。
方案二:
采用CC2530单片机,CC2530提供了101dB的链路质量,优秀的接收器灵敏度和健壮的抗干扰性,四种供电模式,多种闪存尺寸,以及一套广泛的外设集——包括2个USART、12位ADC和21个通用GPIO,除了通过优秀的RF性能、选择性和业界标准增强8051MCU内核,支持一般的低功耗无线通信,CC2530还可以配备TI的一个标准兼容或专有的网络协议栈(RemoTI,Z-Stack,或SimpliciTI)来简化开发。
CC2530可以用于的应用包括远程控制、消费型电子、家庭控制、计量和智能能源、楼宇自动化、医疗等领域。
因考虑到本设计中有测量距离数值无线传输功能,故选择方案二。
2.5.2超声波发射和接收模组的选择
方案一:
采用分立元件制作,成本低廉但耗时耗力,需要CD4049,NE5532等元件。
方案二:
采用超声波发射和接收整体模块US-020,测距精度3mm,但本设计要求精度为1mm,故需添加温度补偿模块。
模块包括超声波发生器,接收器,控制电路,该产品使用简便,体积小,质量牢靠。
因系统中对模组需要体积小,产品牢固,所以权衡两种方案,选择方案二。
2.5.3温度传感器模块
方案一:
采用AD590JH温度传感器,感应温度-55℃~+150℃,精确度±5℃,工作电压4V-30V/DC,价格高。
方案二:
采用TMP275温度传感器,测温范围-40℃~+125℃。
在-20℃~+100℃测温范围内,精度为±0.5°C,工作电压3V-5V/DC,其双线串行接口与I2C相兼容。
芯片采用小巧的8引脚MSOP封装。
,价格低廉,易使用,测温范围广。
综合制作难度及精度考虑,故采用方案二,使用TMP275温度传感器。
2.5.4语音播报模块
方案一:
采用MXH040-8S/8P芯片,该芯片语音长度可达40秒PWM和DAC两种音频输出方式最多可加载63段地址的语音,成本低廉,但是只能一次烧入。
方案二:
采用WT588D语音模块,最多可加载500段用于编辑的语音,其中WT588D芯片具有,功能多音质好应用范围广性能稳定等特点,同时具有MP3控制模式、按键控制模式、按键组合控制模式、并口控制模式、一线串口控制模式、三线串口控制模式以及三线串口控制I/O口扩展输出模式,可控制的语音地址位能达到220个,但该模块成本较高。
由于试验中可能需要多次烧入程序并从制作实物时间考虑,选择方案二。
2.5.5显示模块
方案一:
采用静态显示方法,静态显示模块的硬件制作较复杂及功耗大,要用到多个并行口,成本较高,但是亮度高,字形稳定。
方案二:
采用动态显示方法,用4个数码管显示。
动态显示模块的硬件制作简单,段扫描和位扫描各占用一个端口,采用间断扫描法功耗小、硬件成本低及整个硬件系统体积相对减小。
方案三:
采用LCD的方法,具有硬件制作简单可直接与单片机接口,显示内容多,功耗小,成本低等优点,Nokia5110是飞利浦公司生产的图像液晶,显示范围84*48,使用内置驱动芯片PCD8544,串口速率达到4Mbit/s。
比较以上三种方案:
方案一硬件复杂体积大、功耗大;方案二硬件简单、功耗小;方案三具有硬件简单,显示内容多,功耗小,成本低等优点。
本系统设计要求达到功耗小、体积小、成本低,显示信息多等要求,权衡三种方案,选择方案三。
3
系统的硬件结构设计
硬件电路的设计主要包括单片机系统及显示电路、语音播报电路、温度补偿电路、无线传输、超声波发射电路和超声波检测接受电路五部分。
以下将逐个阐述说明各模块的设计原理及性能。
3.1主控芯片CC2530单片机及最小外围电路
3.1.1CC2530单片机性能简介
CC2530是一种SoC片上系统解决方案,主要应用于RF4CE、ZigBee和IEEE802.15.4等片上系统。
其具有成本低、资料消耗少等优点,能够搭建性能优良的网络节点。
CC2530具有RF收发器的优势,包括系统内可编程闪存,采用增强型8051CPU,具有很强的运算和处理能力以及8-KBRAM,保证了系统的稳定和高效。
CC2530主要有CC2530F32/64/128/256四个闪存版本,其闪存容量分别为32/64/128/256KB。
CC2530能够满足对超低功耗系统的需求,能够根据实际需求合理选择运行模式。
CC2530转换不同运行模式消耗的能量很低,转换速度高,保证了系统的实时性。
CC2530F256以ZigBee协议栈(Z-Stack™)为基础,是一套功能完善、性能优良的ZigBee解决方案,对ZigBee提供了很好的支撑。
CC2530F64结合了德州仪器的黄金单元RemoTI,更好地提供了一个强大和完整的ZigBeeRF4CE远程控制解决方案。
3.1.2CC2530主要性能参数
1)6-mm×6-mm的QFN40封装;
2)2个USART、12位ADC和21个通用GPIO;
3)主动模式RX(CPU空闲):
24mA;
4)供电模式1(4µs唤醒):
0.2mA;
5)供电模式2(睡眠定时器运行):
1µA;
6)供电模式3(外部中断):
0.4µA;
7)宽电源电压范围(2V–3.6V);
3.1.3功能特性概述
1)适应2.4-GHzIEEE802.15.4的RF收发器;极高的接收灵敏度和抗干扰性能;
2)可编程的输出功率高达4.5dBm;
3)只需极少的外接元件;
4)优良的性能和具有代码预取功能的低功耗8051微控制器内核;
5)8-KBRAM;
6)具备在各种供电方式下的数据保持能力;
7)强大的5通道DMA;
8)IEEE802.5.4MAC定时器,通用定时器(一个16位定时器,一个8位定时器);
图3-1CC2530引脚图
3.1.4CC2530的CPU和内存
CC253x芯片的CPU内核选用8051,与单周期8051相互兼容,具有很强的可移植性和可扩展性。
CC253x芯片有CODE/XDATA、DATA和SFR三种内存访问总线,能够对主SRAM、DATA和SFR进行单周期访问,还具有18输入的扩展中断单元和1个调试接口。
中断控制器共有中断组6个,中断源18个,每个中断组包括3个中断源,并对应于4个中断优先级。
中断服务请求在设备回到空闲模式时被自动触发,并将处于睡眠模式的设备唤醒。
内存仲裁器在系统中心,将外部设备、物理存储器、DMA控制器和CPU利用SFR总线连接起来。
内存仲裁器有4个内存访问点,可以在三个物理存储器上进行映射,即:
XREG/SFR寄存器、闪存存储器和8-KBSRAM。
仲裁的执行由内存仲裁器实现,并对访问物理存储器的顺序进行排序。
8-KBSRAM是一个SRAM,具有超低功耗的特点,可以映射到部分XDATA和DATA存储空间,能够保存掉电部分的信息。
对于低功耗应用来讲,这一功能十分便捷。
32/64/128//256KB闪存块能够映射到XDATA之中,提供了非易失性程序存储器,为内电路编程提供了便利条件。
非易失性存储器不仅能存储常量和程序代码,还支持应用程序对必要数据的存储,提高了这些数据的安全性和稳定性,即便设备重启以后仍能继续使用。
该项功能十分实用,简化了加入、网络寻找和完全启动等过程,将具体数据直接保存起来,保证了数据的安全性。
外围设备、数字内核、时钟利用低压稳压器进行供电,其电压约为1.8V。
支持电源的管理功能,能够在低功耗模式下进行供电,延长了电池使用寿命。
复位设备可以通过5种复位源实现复位。
3.1.5外设
CC2530有种类繁多的外围设备,提供了多样化的服务和支持,对各种应用有很好的支持,为程序开发者提供了便利的条件。
调试接口负责执行专有的两线串行接口,并检验内部电路。
调试接口能够擦除闪存存储器的内容、对振荡器进行控制、设置代码断电、但不调试内核指令、执行指令操作、停止和开始用户程序等。
利用上述技术,能够减轻编写外部闪存程序和试验内部电路的工作量。
程序代码可以通过闪存存储器进行存储。
可通过用户软件和调试闪存存储器接口编程。
其允许4字节编程I/O控制器负责所有通用I/O引脚和页面擦除。
CPU可以配置外部设置模块是否控制具体某个引脚或它们受软件的控制,条件为真,每个引脚配置为一个输出或输入,连接衬垫里的一个上拉或下拉电阻。
每个引脚上使能可以使用CPU中断。
每个连接到I/O引脚的外设可以选择在两个不同的I/O引脚位置之间,以确保在不同应用程序中的保持灵活性。
3.1.6无线设备
CC2
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