ATmega16的語音型超聲波測距儀的設計

摘要：介紹一種以單片機ATmega16為核心的超聲波測距儀。該測距儀利用單片機ATmega16的輸入捕獲功能，測量超聲波從發射探頭發射至接收探頭接收所經過的時間；采用DS18B20測量環境溫度，補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播報測量結果等語音信息。給出了測距儀的關鍵硬件電路、測量時間的輸入捕獲中斷子程序和錄音／放音子程序。測試結果表明，該測距儀測量精度高，語音播報清晰、流暢。
關鍵詞：單片機；超聲波測距；語音芯片；溫度補償

引言
用超聲波測量距離是一種非常實用的非接觸測量方法，廣泛應用于物料液面測量、機器人定位、汽車防撞系統等領域。傳統的超聲波測距方法是用單片機的一個定時器和一個外部中斷來測量超聲波從發射探頭發射到被接收探頭接收所經過的時間t，再根據超聲波測量距離的公式S=vt／2進行計算，得到距離S。這種方法除了多占用單片機的一個外部中斷源外，還會使測量時間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輸入捕獲功能實現時間t的精確測量；用溫度傳感器DS18B20檢測周圍環境的溫度，補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實現測距結果等語音信息的播報功能。

1 總體設計方案
測距儀的總體設計方案如圖1所示。系統以AVR單片機ATmega16作為核心控制器，負責控制和協調各模塊電路的工作。超聲波發射模塊發射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行放大、濾波、比較，形成下降沿。溫度傳感器DS18B20負責對環境溫度進行檢測，補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單片機進行通信，實時播報測量距離等語音信息。

2 硬件電路
2．1 超聲波發射模塊
超聲波發射模塊電路如圖2所示。由ATmega16的PB3發送10μs的高電平至SN8P2501B的P2．2，當P2．2檢測到高電平時，從P2．3輸出低電平，三極管Q1飽和導通，MAX3232接通電源，SN8P2501B內部的定時器產生8個40 kHz的脈沖信號，由P2．4和P2．5推挽輸出，經MAX3232升壓后推動超聲波換能器發送超聲波信號。然后P2．3輸出高電平，三極管Q1截止，關斷MAX3232的電源，停止發射超聲波信號。

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