摘要：介紹一種以單片機(jī)ATmega16為核心的超聲波測距儀。該測距儀利用單片機(jī)ATmega16的輸入捕獲功能，測量超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射至接收探頭接收所經(jīng)過的時(shí)間；采用DS18B20測量環(huán)境溫度，補(bǔ)償溫度的變化對超聲波傳播速度的影響，提高測量精度；利用語音芯片ISD4004播報(bào)測量結(jié)果等語音信息。給出了測距儀的關(guān)鍵硬件電路、測量時(shí)間的輸入捕獲中斷子程序和錄音／放音子程序。測試結(jié)果表明，該測距儀測量精度高，語音播報(bào)清晰、流暢。
關(guān)鍵詞：單片機(jī)；超聲波測距；語音芯片；溫度補(bǔ)償

引言
    用超聲波測量距離是一種非常實(shí)用的非接觸測量方法，廣泛應(yīng)用于物料液面測量、機(jī)器人定位、汽車防撞系統(tǒng)等領(lǐng)域。傳統(tǒng)的超聲波測距方法是用單片機(jī)的一個(gè)定時(shí)器和一個(gè)外部中斷來測量超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射到被接收探頭接收所經(jīng)過的時(shí)間t，再根據(jù)超聲波測量距離的公式S=vt／2進(jìn)行計(jì)算，得到距離S。這種方法除了多占用單片機(jī)的一個(gè)外部中斷源外，還會(huì)使測量時(shí)間t的誤差增大，降低測量精度。本文介紹了一種用AVR單片機(jī)ATmega16作為核心控制器的距離儀，該測距儀利用ATmega16輸入捕獲功能實(shí)現(xiàn)時(shí)間t的精確測量；用溫度傳感器DS18B20檢測周圍環(huán)境的溫度，補(bǔ)償溫度變化對超聲波傳播速度的影響，提高測量精度；用語音芯片ISD4004實(shí)現(xiàn)測距結(jié)果等語音信息的播報(bào)功能。

1 總體設(shè)計(jì)方案
    測距儀的總體設(shè)計(jì)方案如圖1所示。系統(tǒng)以AVR單片機(jī)ATmega16作為核心控制器，負(fù)責(zé)控制和協(xié)調(diào)各模塊電路的工作。超聲波發(fā)射模塊發(fā)射40 kHz的超聲波信號，超聲波接收模塊對接收到的回波信號進(jìn)行放大、濾波、比較，形成下降沿。溫度傳感器DS18B20負(fù)責(zé)對環(huán)境溫度進(jìn)行檢測，補(bǔ)償溫度變化對超聲波傳播速度的影響。顯示電路采用YM12864中文液晶顯示器，顯示當(dāng)前溫度和距離等信息。語音電路采用ISD4004語音芯片，該芯片采用SPI通信接口，可以方便地與ATmega16單片機(jī)進(jìn)行通信，實(shí)時(shí)播報(bào)測量距離等語音信息。

2 硬件電路
2．1 超聲波發(fā)射模塊
    超聲波發(fā)射模塊電路如圖2所示。由ATmega16的PB3發(fā)送10μs的高電平至SN8P2501B的P2．2，當(dāng)P2．2檢測到高電平時(shí)，從P2．3輸出低電平，三極管Q1飽和導(dǎo)通，MAX3232接通電源，SN8P2501B內(nèi)部的定時(shí)器產(chǎn)生8個(gè)40 kHz的脈沖信號，由P2．4和P2．5推挽輸出，經(jīng)MAX3232升壓后推動(dòng)超聲波換能器發(fā)送超聲波信號。然后P2．3輸出高電平，三極管Q1截止，關(guān)斷MAX3232的電源，停止發(fā)射超聲波信號。

2．2 超聲波接收模塊
    超聲波接收模塊電路如圖3所示。從超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的超聲波信號遇障礙物后返回，被接收探頭接收并轉(zhuǎn)換成微弱的電信號，經(jīng)集成運(yùn)算放大器TL074放大、濾波、比較后，產(chǎn)生下降沿，觸發(fā)SN8P2501B的P2．2引腳產(chǎn)生中斷，在中斷程序中將P2．1置高電平。高電平持續(xù)的時(shí)間即為超聲波從發(fā)射探頭發(fā)射遇到障礙物后返回，并被接收探頭接收所經(jīng)過的時(shí)間。

2．3 語音播報(bào)模塊
    語音播報(bào)模塊電路如圖4所示。由集成穩(wěn)壓芯片AMS1117—3．3構(gòu)成的穩(wěn)壓電路輸出3．3 V電壓供給語音芯片ISD4004。ISD4004的語音輸入由麥克風(fēng)MIC輸入或由插頭輸入，插入插頭時(shí)麥克風(fēng)輸入電路自動(dòng)斷開，此時(shí)可以與電腦連接進(jìn)行錄音。放音時(shí)，音頻輸出經(jīng)LM386放大驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器進(jìn)行放音。ATmega16通過SPI接口向ISD4004發(fā)送錄音地址和錄音命令進(jìn)行錄音，發(fā)送放音地址和放音命令進(jìn)行放音。中文液晶YM12 864和溫度傳感器DS18B20與單片機(jī)ATmega16的連接較為簡單，在此不作詳述。

3 軟件設(shè)計(jì)
3．1 超聲波測距程序設(shè)計(jì)
    超聲波測量距離的表達(dá)式為S=[(331．4+0．607T)×t]／2。其中，T為環(huán)境溫度，t為從發(fā)射超聲波信號到接收到回波信號所經(jīng)過的時(shí)間。由此可見，測量距離的關(guān)鍵是盡可能精確地測出時(shí)間t。測量時(shí)間t常用的方法是用一個(gè)定時(shí)器／計(jì)數(shù)器和一個(gè)外部中斷來實(shí)現(xiàn)。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器用來計(jì)時(shí)，外部中斷設(shè)置成電平觸發(fā)方式，用于檢測一個(gè)脈沖的上升沿和下降沿，當(dāng)ATmega16外部中斷引腳輸入電平由低變高時(shí)觸發(fā)第一次中斷，讀取時(shí)間值t1，然后將外部中斷設(shè)置為下降沿觸發(fā)中斷，等到ATmega16外部中斷引腳輸入的電平由高變低時(shí)，再次觸發(fā)中斷，讀取時(shí)間值t2，然后將外部中斷設(shè)置為上升沿觸發(fā)中斷，兩次時(shí)間值之差t=t2-t1即為脈沖的寬度。這種方法除了多占用ATmega16的一個(gè)外部中斷源外，讀取的時(shí)間值精度還容易受到中斷響應(yīng)時(shí)間的影響，造成測量距離誤差增大。單片機(jī)ATmega16具有一路輸入捕獲功能，配合內(nèi)部的定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T／C1，可以非常方便和精確地測出一個(gè)脈沖從上升沿到下降沿間的時(shí)間。方法是先將T／C1設(shè)置為輸入捕獲模式、上升沿捕獲，并開啟全局中斷；當(dāng)發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波信號遇到障礙物后返回，被接收探頭接收時(shí)，ATmega16的PD6(ICP1)引腳由低電平變高電平，觸發(fā)第一次輸入捕獲，將T／C1的TCNT1中的計(jì)數(shù)值自動(dòng)寫入輸入捕獲寄存器ICR1，在程序中將ICR1的值保存在變量t1中，然后將T／C1設(shè)置為下降沿捕獲；當(dāng)接收到的信號下降沿到來時(shí)，再一次觸發(fā)輸入捕獲，將ICR1的值保存在變量t2中，然后將TCNT1中的值清0，并將T／C1設(shè)置為上升沿捕獲。假設(shè)單片機(jī)ATmega16所使用的晶振為8 MHz，采用1／8分頻，則兩次捕獲發(fā)生的時(shí)間之差t=t2-t1(μs)即為發(fā)射超聲波信號至接收到回波信號所經(jīng)過的時(shí)聞。定時(shí)器／計(jì)數(shù)器T／C1捕獲中斷程序如下：
    
3．2 語音播報(bào)程序設(shè)計(jì)
    語音播報(bào)程序主要分為錄音和放音程序。由單片機(jī)ATmega16的SPI端口按照ISD4004的時(shí)序要求發(fā)送錄／放音地址和命令。錄音程序?qū)⑿枰浿频恼Z音元素按照事先分配好的錄音地址分段錄制到IDS4004中。把錄音起始地址存放在數(shù)組當(dāng)中，在放音程序中根據(jù)要播報(bào)的語音信息查找到相應(yīng)語音元素的地址，發(fā)送放音命令，即可清晰流暢地播報(bào)出語音信息。錄音和放音的參考子程序如下：
    
    

4 測試結(jié)果與分析
    測試條件為：在環(huán)境溫度為29℃，超聲波發(fā)射探頭與接收探頭離地面30cm，障礙物為0．6 cm×0．5 cm垂直于地面放置的木板，用鋼卷尺測量實(shí)際距離，測試結(jié)果如表1所列。

結(jié)語
    本文設(shè)計(jì)的超聲波測距儀充分利用ATmega16的輸入捕捉功能，實(shí)現(xiàn)了2cm～4．2 m的距離測量，通過ATmega16的硬件SPI接口控制語音芯片ISD4004實(shí)時(shí)播報(bào)測量距離等語音信息。多次測試結(jié)果表明，該測距儀具有工作穩(wěn)定可靠、重復(fù)性好、測量精度高、語音播報(bào)流暢清晰等特
點(diǎn)。可應(yīng)用于物料液位測量、汽車防撞系統(tǒng)、機(jī)器人定位等場合，在非接觸測量方面具有很好的應(yīng)用前景。