摘 要：超聲波測距儀主要由測距模塊，顯示模塊，語音報(bào)警模塊以及掃描裝置的驅(qū)動(dòng)模塊構(gòu)成，利用Processing為本次設(shè)計(jì)的掃描裝置的開發(fā)環(huán)境，并結(jié)合Arduino等硬件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)上、下位機(jī)交互系統(tǒng)。對已搭建的測距系統(tǒng)進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)調(diào)試，并對實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了分析。結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的超聲波測距儀簡易、可行，具有實(shí)用價(jià)值。

關(guān)鍵詞：超聲波測距；Arduino；掃描；語音報(bào)警

一、引言

超聲波測距相對于其他測距方式具有測距精確操作簡單等一系列特點(diǎn)，所以其在日常生活中有廣闊的發(fā)展空間[1]。整個(gè)測距儀系統(tǒng)分成兩部分，包括51單片機(jī)等模塊組成的測距電路，和Arduino UNO R3開發(fā)板等模塊組成的掃描裝置。

二、硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)

（一）硬件構(gòu)架

本系統(tǒng)主要包括EM78P153開發(fā)板、顯示模塊、CLB-LDV7語音識別模塊、超聲波測距模塊、SYN6288語音合成模塊、SG90舵機(jī)云臺以及Arduino UNO R3開發(fā)板。

（二）主控選擇

超聲波測距儀主控選擇EM78P153開發(fā)板，其性能穩(wěn)定，功耗小，價(jià)格低廉，內(nèi)部集成RAM、ROM、計(jì)數(shù)器以及定時(shí)器等資源，使用方便[2]。

（三）數(shù)碼管顯示電路設(shè)計(jì)

該超聲波測距儀使用數(shù)碼管顯示電路包括51單片機(jī)最小系統(tǒng)、四位共陰極數(shù)碼管以及74HC138譯碼器，如圖1所示。

（四）語音識別模

該語音識別模塊作為整個(gè)系統(tǒng)的核心控制模塊，對于測距儀的啟動(dòng)、暫停、停止以及報(bào)警功能起著至關(guān)重要的作用。該模塊采用的主控MCU為STC11L32XE單片機(jī)，語音識別功能采用LD3320語音識別芯片。

將該語音合成合成模塊可與STC11L32XE單片機(jī)模塊之間通過一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)串行UART串行通訊的接口相連接。當(dāng)STC11L32XE單片機(jī)接收到主板上51單片機(jī)溢出中斷信號后，便向SYN6288語音合成芯片發(fā)送控制命令和文本，隨后該芯片會將接收到的文本合成語音信號輸出，再經(jīng)過功率放大器輸出，最后由喇叭播放：“警告無法測距”。

（五）掃描裝置的設(shè)計(jì)

掃描裝置是由Arduino UNO R3開發(fā)板、SG90舵機(jī)云臺和超聲波測距模塊組成。

超聲波測距掃描程序使用4個(gè)arc描繪了4個(gè)扇形，7個(gè)line描繪了7個(gè)角度線。舵機(jī)轉(zhuǎn)角控制利用PWM占空比改變舵機(jī)旋轉(zhuǎn)的角度，20ms接收一次時(shí)基脈沖信號，當(dāng)高電平時(shí)間為0.5ms時(shí)，舵機(jī)為0°；高電平時(shí)間為1ms時(shí)，舵機(jī)為45°，以此類推。將Arduino UNO R3連接到電腦上，由舵機(jī)云臺帶動(dòng)超聲波測距模塊一起轉(zhuǎn)動(dòng)并檢測周圍是否由障礙物出現(xiàn)，如果有障礙物，面板上的綠色實(shí)線會變成紅色。

三、EM78P153單片機(jī)程序設(shè)計(jì)

EM78P153單片機(jī)作為處理核心的觸發(fā)信號輸入端，當(dāng)它收到51單片機(jī)發(fā)出一個(gè)最小10μs的高電平信號后，其發(fā)出40kHz方波，經(jīng)LMC6034IM放大處理，由超聲傳感器轉(zhuǎn)化為40kHz聲波。聲波反射后被另一個(gè)瓷超聲傳感器接收，再經(jīng)EM78P153處理后，由回響信號輸出端發(fā)出一個(gè)高電平信號反饋給51單片機(jī)，從發(fā)出高電平信號時(shí)開始計(jì)時(shí)，在收到高電平信號后結(jié)束計(jì)時(shí)，兩個(gè)信號之間的時(shí)間間隔就是超聲波的傳播時(shí)間[3]。因此，計(jì)算距離的方法為（高電平時(shí)間*340m/s）/2。如圖2所示，為語音控制超聲波測距程序流程圖。

四、控制系統(tǒng)上位機(jī)設(shè)計(jì)

上位機(jī)模塊采用Processing為本次設(shè)計(jì)的掃描裝置的開發(fā)環(huán)境，其界面簡潔，包括一個(gè)主要工作窗口，以及作品展示窗口[4]。開發(fā)環(huán)境是由一個(gè)簡單的文本編輯器來編寫代碼，提供了常見的操作按鈕的工具欄、信息區(qū)、文本控制臺、選項(xiàng)卡，以及一系列菜單來管理文件。軟件的使用處理的書面文件被稱為草圖，這些草圖都寫在文本編輯器，編輯器對功能進(jìn)行切割、粘貼和搜索、替換文本。消息面給出反饋并顯示錯(cuò)誤?？刂婆_顯示文本輸出處理程序，給出println程序完整的錯(cuò)誤消息和文本輸出函數(shù)。工具欄按鈕允許您運(yùn)行和停止程序，創(chuàng)建一個(gè)新的草圖、打開、保存和導(dǎo)出。上位機(jī)的PC終端模塊主要由通信、解碼和輔助模塊組成。

（一）實(shí)驗(yàn)結(jié)果

基于單片機(jī)的超聲波測距儀實(shí)物模型中，包含測距模塊，顯示模塊，語音報(bào)警模塊以及掃描裝置的驅(qū)動(dòng)模塊。實(shí)物如圖5所示。

五、總結(jié)

該超聲波測距儀由SYN6288單片機(jī)作為控制主板，代碼使用C語言編寫的，屬于開源代碼，參照各種代碼片段進(jìn)行驗(yàn)證實(shí)驗(yàn)，提高了設(shè)計(jì)效率。程序下載時(shí)，使用數(shù)據(jù)線接口連接USB和單片機(jī)端口，結(jié)合Arduino IDE平臺自動(dòng)上傳程序至單片機(jī)，完全無需搭配其他傳輸軟件。該書法機(jī)器人更具智能化、集成化、小巧靈活性，并且穩(wěn)定性更好。

參考文獻(xiàn)：

[1]劉卓婭. 基于STC89C52的無線超聲波測距系統(tǒng)的研究與設(shè)計(jì)[D].華南理工大學(xué)，2017.

[2]毛鵬，范蓉蓉，孫亮亮.遠(yuǎn)距離非接觸式超聲測距機(jī)器人研制[J].信息技術(shù)，2015（02）：61-63+68.DOI：10.13274/j.cnki.hdzj.2015.02.017.

[3]李艷杰. 基于HT46F49E的超聲波測距系統(tǒng)[D].長安大學(xué)，2011.

[4]田文成. 超聲波測距系統(tǒng)的研究與實(shí)現(xiàn)[D].南京郵電大學(xué)，2017.