基于YF017-001单片机的超声波语音仪
基于YF017-001单片机的超声波语音仪[20200408095621]
摘要
近些年，随着研究的不断深入，超声波测距技术越来越成熟。因为成本低，精度高，易控制等优点，超声波测距技术被广泛应用与液位测量，汽车导航，机器人控制等领域，为生活和生产带来了巨大的便利。为了实现近距离测距，本文从实用角度出发，设计了一款基于单片机的超声波语音仪。
这款超声波语音仪选用STC89C52单片机作为系统主控芯片，实现对各部分控制与数据的处理，利用压电式超声波发生器实现超声波的发射与接收，测距结果不仅通过数码管实现时时显示还通过YF017-001语音芯片实现语音播报。同时，为了提高测量精度，用DS18B20数字温度传感器进行温度测量，实现温度补偿。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STC89C52超声波测距数码管温度补偿
目 录
1.引言 1
1.1超声波测距技术的优势及应用 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本课题研究的主要内容 2
2.硬件部分电路设计 3
2.1 总体方案设计 3
2.2系统各模块电路设计 4
2.2.1主控制模块 4
2.2.2超声波模块 4
2.2.3温度补偿模块 7
2.2.4数码管显示模块 9
2.2.5语音模块 10
2.2.6电源模块 12
3.软件部分设计 14
3.1端口配置及变量定义 14
3.2主程序main()程序设计 15
3.3系统各模块软件设计 17
3.3.1超声波测距部分程序设计 17
3.3.2温度测量部分程序设计 19
3.3.3显示部分程序设计 22
3.3.4语音播放部分程序设计 24
4.总结 26
参考文献 27
致谢 28
附录 29
1.引言
1.1超声波测距技术的优势及应用
随着现代社会的发展，传统的接触式测距技术已经不能满足现实的需要，非接触式测距技术应运而生。近些年，随着科学的发展，越来越多的非接触式测距方法被应用于生活、生产实践中。比较典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等。其中，CCD探测是一种视觉测距方式，测距同时能够获取周边地理信息，应用起来十分方便，但成本较高。雷达测距不受时间、环境影响，具有高精度、全天候等优点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有方向性好、单色性高，亮度强、测距速度快等优点，但数据处理复杂，测距成本高。与前几种测距方式比起来，超声波测距具有很多独特之处。
在我们的日常生活中，声音无处不在，绝对安静的环境几乎不存在，从发声的物体到我们的耳朵，声音是通过声波传播的。声波按照频率的高低可以分为次声波、可听波和超声波。超声波测距用到的便是超声波，与其他两种声波相比，超声波具有很多优点。超声波频率高，指向性好，传播能力较强，且在传播过程中能量耗损率低。基于超声波的这些优点，超声波测距技术得到越来越广泛的研究和应用。例如在酒水、饮料的生产过程中利用超声波测距技术进行液位控制，控制各种液位罐的液位、料位高度，在汽车倒车系统中利用超声波测距技术设置防碰撞报警装置。特别值得一提的是，因为超声波在空气中传播速度较慢，其在空气测距上具有很高的分辨率，准确度也相对较高，因此超声波常被应用于空气测距。
1.2 国内外研究现状
近十年来，超声波测距技术的相关研究者们在超声波回波信号处理、超声波传感器研究、超声波发射脉冲选择等方面做了大量理论研究与实践测验，提出温度补偿校准波速，超声波接收回路串入增益调节电路等方法，这些方法大大提高了超声波测距的精度。超声波测距技术的核心是回波信号处理，现阶段，超声波回波信号处理技术已经比较成熟，但因其至关重要的地位，将来仍然要花大力气致力于这方面的研究。
近几年，随着研究的不断深入，超声波测距技术出现了另外一个研究热点，那便是超声发射脉冲的选择。如何选择合理的脉冲，既可以提高测距范围和精度，又能增抗干扰能力，成为业内一个热门话题。在进行回波信号处理和脉冲选择方面研究的同时，研究者们还大力研发新型超声波传感器，这方面的突破可以大大拓宽超声波测距的应用领域。
总的说来，近些年，随着单片机和传感器技术的发展，超声波测距技术日益成熟，在简化发射与接收电路，提高测距范围等方便取得了一定成绩，越来越完备的回波信号处理方法加之温度补偿电路，也使得超声波测距的精度大大提高。但也存在一些不足之处，例如在超声传感器新型制作材料研究、超声波产生机理创新方便还有待近一步提高。
1.3 本课题研究的主要内容
本文研究的基于单片机的超声波语音仪可分为硬件和软件两部分，其硬件部分设计和软件部分设计是本文研究的主要内容。
硬件部分主要分为以下几个模块：
（1）单片机最小系统，系统的核心部分，实现控制与处理功能
（2）温度补偿模块，测量环境温度，实现温度补偿
（3）超声波模块，实现超声波的发射与接收
（4）显示模块，实现距离显示
（5）语音模块，实现语音播报
软件部分指为实现各部分硬件功能而编写的程序，这些程序通过单片机操纵各部分硬件工作。本课题所设计的超声波语音仪采用单片机STC89C52作为系统主控芯片，当超声波传感器完成超声波的发射和接收后，单片机对回波信号进行分析计算得到距离，并通过数码管显示出来。此外，考虑到温度对波速的影响，系统添加了温度补偿模块，以校准波速，提高测距精度。
2.硬件部分电路设计
2.1 总体方案设计
超声波测距方法主要有渡越时间测距法、相位测距法和幅值测距法三种。其中，精度最高的是相位检测法，但其测距范围小; 幅值测距法易受环境因素的干扰，因此，目前主流的超声波测距方法是渡越时间测距法。渡越时间测距法的基本原理是利用超声波发射器定向发射超声波，同时启动定时器计时，当超声波碰到障碍物后会产生回波信号，超声波接收器在接收到回波信号时，立即停止计时。设在空气中超声波的波速为V，从发射到接收经历的时间为T，超声波发射器与障碍物之间的距离为S，则S=V*T/2，这样便可以测出发射器与障碍物之间的距离了。系统总体的设计方框图如图2.1所示。
图2.1 系统总体方框图
利用上述原理设计的基于单片机的超声波语音仪的整个系统主要划分为超声波电路、数码管显示、语音播报、 温度补偿等模块。单片机用P0.0端口输出40kHz的方波信号驱动超声波发射头发射超声波，超声波接收电路接收并加工回波信号，并将信息传送P3.3端口。显示部分使用3位一体共阳LED数码管，段码控制端口连接单片机的P2口，位码控制端口分别连接单片机的P0.2、P0.4、P0.6口,利用PNP三极管S9012进行位驱动。语音电路采用OPT语音芯片YF017-001，实现语音循环播报。温度补偿电路采用常用的数字式温度传感器DS18b20,DS18b20温度传感器采用单总线接口，十分节省资源，温度测量范围也非常大，能很好的完成补偿任务。
2.2系统各模块电路设计
2.2.1主控制模块
在本设计中，采用的是STC89C52单片机。STC89C52单片机是一款低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写上千次的Flash只读程序存储器，。STC89C52兼容标准MCS-51指令系统，但做了许多改进使得芯片具有很多新的功能。芯片上集成了了8 位CPU 和ISP Flash存储单元，性能优越的STC89C52单片机可以为很多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 此款单片机具有以下标准功能： 8k Bytes Flash，512 Bytes RAM，32 位输入/输出口，看门狗定时器，集成4KB EEPROM，一个4级7向量中断结构，三个16 位定时器 /计数器，四个外部中断，全双工串行口 。
摘要
近些年，随着研究的不断深入，超声波测距技术越来越成熟。因为成本低，精度高，易控制等优点，超声波测距技术被广泛应用与液位测量，汽车导航，机器人控制等领域，为生活和生产带来了巨大的便利。为了实现近距离测距，本文从实用角度出发，设计了一款基于单片机的超声波语音仪。
这款超声波语音仪选用STC89C52单片机作为系统主控芯片，实现对各部分控制与数据的处理，利用压电式超声波发生器实现超声波的发射与接收，测距结果不仅通过数码管实现时时显示还通过YF017-001语音芯片实现语音播报。同时，为了提高测量精度，用DS18B20数字温度传感器进行温度测量，实现温度补偿。
*查看完整论文请 +Q: 3 5 1 9 1 6 0 7 2
关键字:STC89C52超声波测距数码管温度补偿
目 录
1.引言 1
1.1超声波测距技术的优势及应用 1
1.2国内外研究现状 1
1.3本课题研究的主要内容 2
2.硬件部分电路设计 3
2.1 总体方案设计 3
2.2系统各模块电路设计 4
2.2.1主控制模块 4
2.2.2超声波模块 4
2.2.3温度补偿模块 7
2.2.4数码管显示模块 9
2.2.5语音模块 10
2.2.6电源模块 12
3.软件部分设计 14
3.1端口配置及变量定义 14
3.2主程序main()程序设计 15
3.3系统各模块软件设计 17
3.3.1超声波测距部分程序设计 17
3.3.2温度测量部分程序设计 19
3.3.3显示部分程序设计 22
3.3.4语音播放部分程序设计 24
4.总结 26
参考文献 27
致谢 28
附录 29
1.引言
1.1超声波测距技术的优势及应用
随着现代社会的发展，传统的接触式测距技术已经不能满足现实的需要，非接触式测距技术应运而生。近些年，随着科学的发展，越来越多的非接触式测距方法被应用于生活、生产实践中。比较典型的非接触式测距方法有超声波测距、CCD探测、雷达测距、激光测距等。其中，CCD探测是一种视觉测距方式，测距同时能够获取周边地理信息，应用起来十分方便，但成本较高。雷达测距不受时间、环境影响，具有高精度、全天候等优点，但容易受电磁波干扰。激光测距具有方向性好、单色性高，亮度强、测距速度快等优点，但数据处理复杂，测距成本高。与前几种测距方式比起来，超声波测距具有很多独特之处。
在我们的日常生活中，声音无处不在，绝对安静的环境几乎不存在，从发声的物体到我们的耳朵，声音是通过声波传播的。声波按照频率的高低可以分为次声波、可听波和超声波。超声波测距用到的便是超声波，与其他两种声波相比，超声波具有很多优点。超声波频率高，指向性好，传播能力较强，且在传播过程中能量耗损率低。基于超声波的这些优点，超声波测距技术得到越来越广泛的研究和应用。例如在酒水、饮料的生产过程中利用超声波测距技术进行液位控制，控制各种液位罐的液位、料位高度，在汽车倒车系统中利用超声波测距技术设置防碰撞报警装置。特别值得一提的是，因为超声波在空气中传播速度较慢，其在空气测距上具有很高的分辨率，准确度也相对较高，因此超声波常被应用于空气测距。
1.2 国内外研究现状
近十年来，超声波测距技术的相关研究者们在超声波回波信号处理、超声波传感器研究、超声波发射脉冲选择等方面做了大量理论研究与实践测验，提出温度补偿校准波速，超声波接收回路串入增益调节电路等方法，这些方法大大提高了超声波测距的精度。超声波测距技术的核心是回波信号处理，现阶段，超声波回波信号处理技术已经比较成熟，但因其至关重要的地位，将来仍然要花大力气致力于这方面的研究。
近几年，随着研究的不断深入，超声波测距技术出现了另外一个研究热点，那便是超声发射脉冲的选择。如何选择合理的脉冲，既可以提高测距范围和精度，又能增抗干扰能力，成为业内一个热门话题。在进行回波信号处理和脉冲选择方面研究的同时，研究者们还大力研发新型超声波传感器，这方面的突破可以大大拓宽超声波测距的应用领域。
总的说来，近些年，随着单片机和传感器技术的发展，超声波测距技术日益成熟，在简化发射与接收电路，提高测距范围等方便取得了一定成绩，越来越完备的回波信号处理方法加之温度补偿电路，也使得超声波测距的精度大大提高。但也存在一些不足之处，例如在超声传感器新型制作材料研究、超声波产生机理创新方便还有待近一步提高。
1.3 本课题研究的主要内容
本文研究的基于单片机的超声波语音仪可分为硬件和软件两部分，其硬件部分设计和软件部分设计是本文研究的主要内容。
硬件部分主要分为以下几个模块：
（1）单片机最小系统，系统的核心部分，实现控制与处理功能
（2）温度补偿模块，测量环境温度，实现温度补偿
（3）超声波模块，实现超声波的发射与接收
（4）显示模块，实现距离显示
（5）语音模块，实现语音播报
软件部分指为实现各部分硬件功能而编写的程序，这些程序通过单片机操纵各部分硬件工作。本课题所设计的超声波语音仪采用单片机STC89C52作为系统主控芯片，当超声波传感器完成超声波的发射和接收后，单片机对回波信号进行分析计算得到距离，并通过数码管显示出来。此外，考虑到温度对波速的影响，系统添加了温度补偿模块，以校准波速，提高测距精度。
2.硬件部分电路设计
2.1 总体方案设计
超声波测距方法主要有渡越时间测距法、相位测距法和幅值测距法三种。其中，精度最高的是相位检测法，但其测距范围小; 幅值测距法易受环境因素的干扰，因此，目前主流的超声波测距方法是渡越时间测距法。渡越时间测距法的基本原理是利用超声波发射器定向发射超声波，同时启动定时器计时，当超声波碰到障碍物后会产生回波信号，超声波接收器在接收到回波信号时，立即停止计时。设在空气中超声波的波速为V，从发射到接收经历的时间为T，超声波发射器与障碍物之间的距离为S，则S=V*T/2，这样便可以测出发射器与障碍物之间的距离了。系统总体的设计方框图如图2.1所示。
图2.1 系统总体方框图
利用上述原理设计的基于单片机的超声波语音仪的整个系统主要划分为超声波电路、数码管显示、语音播报、 温度补偿等模块。单片机用P0.0端口输出40kHz的方波信号驱动超声波发射头发射超声波，超声波接收电路接收并加工回波信号，并将信息传送P3.3端口。显示部分使用3位一体共阳LED数码管，段码控制端口连接单片机的P2口，位码控制端口分别连接单片机的P0.2、P0.4、P0.6口,利用PNP三极管S9012进行位驱动。语音电路采用OPT语音芯片YF017-001，实现语音循环播报。温度补偿电路采用常用的数字式温度传感器DS18b20,DS18b20温度传感器采用单总线接口，十分节省资源，温度测量范围也非常大，能很好的完成补偿任务。
2.2系统各模块电路设计
2.2.1主控制模块
在本设计中，采用的是STC89C52单片机。STC89C52单片机是一款低功耗、高性能CMOS8位单片机，片内含8k Bytes ISP(In-system programmable)的可反复擦写上千次的Flash只读程序存储器，。STC89C52兼容标准MCS-51指令系统，但做了许多改进使得芯片具有很多新的功能。芯片上集成了了8 位CPU 和ISP Flash存储单元，性能优越的STC89C52单片机可以为很多嵌入式控制应用系统提供高性价比的解决方案。 此款单片机具有以下标准功能： 8k Bytes Flash，512 Bytes RAM，32 位输入/输出口，看门狗定时器
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