盲人自动避障装置毕业设计

摘 要 针对盲人行走过程中无法了解到前方是否存在障碍物的问题，本文设计了一种新型的基于单片机控制的盲人自动避障装置，且该装置带有语音提醒功能。本方案通过超声波的发送和接收来检测前方一段距离内是否有障碍物存在，若有，则语音提醒模块发出提醒信息。语音电路根据障碍物距离发出不同频率的报警声音，以提醒使用者。此时使用者可按下按键，报警响声中断。报警声响起时，电路板上的LED灯会亮起，以提醒路人让路。本文所采用的主要芯片有超声波测距模块US-100,语音芯片ISD4004,音频功放TDA2822。本装置的设计所采用的主要方法是：采用两个超声波模块进行测距，其中一个模块的超声波探头垂直向下，另一个模块的超声波探头斜向下。二者夹角为60。由于超声波模块US-100的测距范围是：2-450。因而采用这样的方式进行测距，水平测距范围是0.6-389。采用这样的方法进行测距与只采用一个超声波模块平行进行测距相比较的优点是：（1）当前方的有坑时，也能检测出来并及时报警（2）能检测到高于地面的所有障碍物。语音芯片ISD4004可存储8分钟的录音时间，本芯片录了四段录音：当离障碍物389-200时播放第一段录音，当离障碍物200-100时播放第二段录音，当离障碍物100-0时播放第三段录音，当前方有坑或沟时播放第四段录音。通过多次实物验证，能实现预期目标。本文是在基于单片机控制的超声波测距原理的基础上，配以其他的外围电路来实现避障功能的。此装置简单实用且便携，设计在很大程度上解决了盲人行走中的安全问题。关键字：单片机AT89S52；超声波测距US-100；语音提醒ISD4004；音频功放TDA2822AbstractIn view of the problem that the blind cant understand whether there are obstacles in front during walking, a new obstacle-avoidance automatic device was designed, which is based on single-chip. In addition, it has the function of voice-reminding. The scheme is by means of ultrasonics sending and receiving to detect a distance ahead whether there exist within the obstacles. If any, voice reminder module is a reminder. Voice reminder module sends the frequency of alarm sound according to the different obstacle distance, to remind the user. At this time the user can press the set key, alarm sound interruption. When alarm sound up, the circuit boards will light up LED to warn the stranger for its way. This paper provides the chips have ultrasonic ranging module US-100, ISD4004 voice chip, TDA2822 audio power amplifier.The design of this device with main method is: the two ultrasonic module sequence, one of the modules of ultrasonic probe vertically down, the other a module of ultrasonic probe inclined down. Both an Angle of 60 . Because of the ultrasonic module US-100 range is: 2 -450 . So it is this way sequence, level range is 0.6 range-389 . Using such methods and only use a range of ultrasonic module parallel sequence advantage is: the current party there pits, also can test out and even the police. ISD4004 voice chip can be stored 8 minutes recording time, the chip to record four recording: when the obstacles 389 -200 played the first recording, when the obstacles 200 -100 played the second recording, when the obstacles 100 -0 played the third recording, the current party a pit or groove fourth recording played.This paper is based on single chip microcomputer control on the basis of the principle of ultrasonic ranging, match with other peripheral circuit to achieve obstacle avoidance of the function. This device is simple and applicable portable, in the very great degree the blind man walk to solve the security issue.Keywords: Monolithic integrated circuit AT89S52; Ultrasonic ranging US-100; Voice remind ISD4004; TDA2822 audio power amplifier 目 录摘 要IAbstractII1 前言11.1设计的目的和意义11.2 盲人避障技术的研究现状22 设计所用的主要技术32.1 硬件技术32.2 软件技术33 系统设计53.1 总体框架53.2 各个模块的工作流程53.3 系统的软件流程图53.4 系统各个模块的设计63.4.1 超声波测距模块63.4.2 语音模块设计113.4.3 音频功放模块163.4.4 单片机最小系统及其简单应用194 测试部分244.1 实验方法244.1.1 超声波测距的方法244.1.2语音芯片的使用方法264.1.3 TDA2822的使用方法274.2 实验对象284.2.1超声波测距模块284.2.2 语音电路的使用情况284.3 软件设计思想285 实验结果分析与展望305.1实验结果分析305.2实验结果展望30参考文献32致 谢33附录A34附录B417河南理工大学毕业设计（论文）说明书1 前言1.1设计的目的和意义 在我们日常生活中，盲人的生活有诸多不便，其中一个就是盲人在行走过程无法了解到前方是否有障碍物存在，难免出现撞到障碍物的情况。针对这个问题，本次设计致力于设计一种新型的基于单片机控制的盲人自动避障装置。该装置的功能是：通过超声波测距的原理来检测前方一段距离内是否有障碍物或者坑存在，若有，则语音提醒模块发出提醒信息。语音电路会根据障碍物距离的不同发出不同频率的报警声音，以提醒使用者。此时使用者可按下按键，报警响声中断。报警声响起时，电路板上的LED灯会亮起，以提醒路人让路。本设计检测障碍物所基于的基本原理就是超声波测距的原理。超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种。其中，相位检测法精度高，但检测范围有限; 声波幅值检测法易受反射介质的影响。因此，当前超声波测距一般使用渡越时间法。本设计所采用的就是渡越时间法。超声波测距的工作原理: 发射换能器向外发射超声波，超声波在介质中传播，遇到障碍物后反射，产生回波，接收换能器接收回波。渡越时间法就是通过检测发射超声波与接收回波之间的时间差，求出目标障碍物距信号发射源的距离。 本设计所采用的安全避障技术对于很多检测和识别技术的研究也有一定的参考价值。障碍物与物体之间距离的获得是研究安全避障的前提。超声波测距可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线、烟雾、电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点。目前，超声波测距凭借其原理简单、易于实现以及成本低等优点，在液位测量、移动机器人定位和避障、汽车防撞和曲面仿形检测等领域得到了广泛的应用且前景广阔。在本设计中对所要求测量范围0.6cm389cm内的平面物体做了多次测量发现，其最大误差为0.5cm，可见基于单片机设计的超声波测距系统具有硬件结构简单、工作可靠、测量误差小等特点。因此，它不仅可用于盲人自动避障，还可用在其它检测系统中。由于盲人出行时必需手持盲杖不停地探测道路情况，并且使用及携带盲杖很不方便，使用盲杖经常会打到人造成不必要的麻烦，辅助盲人出行的盲道利用率很低，大多被非法占用导致不能正常使用。此作品可以令盲人不必再依靠盲杖进行障碍的探测，从而避免了使用和携带盲杖所带来的不便。此装置简单实用且便携，设计在很大程度上解、决了盲人行走中的安全问题，具有实用价值。1.2 盲人避障技术的研究现状盲人避障技术的关键是非接触式检测技术，随着传感器和单片机控制技术的不断发展，非接触式检测技术已经在不断完善。以往的盲人避障技术设计中常使用红外线探测障碍物的存在与否，但是在实际应用中，红外干扰源较多；而且在有反射光的情况下，由于光线的干扰，很容易判断失误，出现虚警。因此，有些设备在发射信号时，改进为发送一串连续的红外脉冲，然后接收反射的信号。如果接收到的红外脉冲数量超过某一门限值时，就判断障碍存在。这种方法尽管在一定程度上可以降低虚警率，但在较强的反射光和使用电子镇流器方式的日光灯起辉时，仍很容易出现干扰现象。还有其他典型的非接触式检测方法有CCD探测、雷达检测、激光检测、超声波检测等 其中，CCD探测具有使用方便无需信号发射源,同时获得大量的场景信息等特点，但视觉检测需要额外的计算开销。雷达检测具有全天候工作，适合于恶劣的环境中进行短距离 高精度检测的优点，但容易受电磁波干扰。激光检测具有高方向性、高单色性、高亮度、测量速度快等优势，尤其是对雨雾有一定的穿透能力，抗干扰能力强，但其成本高 数据处理复杂。与前几种检测方式相比，超声波检测可以直接测量近距离目标，纵向分辨率高，适用范围广，方向性强，并具备不受光线 烟雾 电磁干扰等因素影响，且覆盖面较大等优点，目前超声波检测已普遍应用在液位测量 移动机器人定位和避障等领域，应用前景广阔 。超声波检测作为非接触式检测技术的典型方法之一，以其价格低廉、信号处理可靠、不受电磁、天气影响等优势，必将拥有广阔的市场前景。综合分析国内超声波研究现状，本文对超声波检测研究趋势做以下三点展望:1) 目前，超声波换能器多采用压电陶瓷材料和磁致伸缩材料来制造。这两种材料制造的换能器存在一定的阻抗失配问题，即在驱动脉冲结束后，由于惯性会继续振动产生盲区，进而影响系统的测量精度。因此，超声换能器制造材料的改进是超声波检测技术发展的一个重要方向。2) 随着回波信号处理方法的逐渐完善，选择更合理的超声波发射脉冲、研发更高性能的超声波换能器，来提高超声波测距系统的有效作用距离、分辨力、测量精度和抗干扰性等性能，是超声波测距理论的又一个重要研究方向。3) 此外，基于超声波检测、CCD 探测、雷达检测、激光检测等多种非接触式检测技术均具有各自优点。本文认为将多种非接触式传感器合理地冗余复合使用，充分发挥各检测方法的优势，可以得到更精确的检测结果，这也将成为检测技术发展的一个热点。此作品结合了超声波检测及单片机技术，能.(查看更多)够准确识别障碍并出相应判断，提示盲人躲避障碍，与其他盲人避障装置相比具有轻便、准确、操作简单和性价比高的特点。2 设计所用的主要技术2.1 硬件技术由于本设计是基于单片机控制的采用超声波测距原理进行测距的盲人自动避障系统，并且该系统具有语音提醒功能。所以本作品采用的主要芯片有超声波测距模块US-100,语音芯片ISD4004,音频功放TDA2822。系统的关键技术问题是障碍物的距离检测，和语音提醒技术，单片机控制技术。系统采用了超声波传感器进行4.5米以内的距离测量。超声波测距的方法为渡越时间法，发射换能器不断超声波脉冲，声波遇到障碍物后反射回来被接收换能器接收，根据声速及时间差计算出障碍物的距离。在电子线路方面，采用了超声波测距模块，实现了障碍的自动检测。在语音提醒方面，采用语音芯片，其模拟音频输出经功放电路放大，输出音量大，吐字清晰。在单片机应用方面采用单片机的定时器和外部中断实现超声波的准确发送和接收；采用单片机I/O口模拟串口，传送语音合成数据。本装置的设计所采用的主要方法是：采用两个超声波模块进行测距，其中一个模块的超声波探头垂直向下，另一个模块的超声波探头斜向下。二者夹角为60。由于超声波模块US-100的测距范围是：2-450。因而采用这样的方式进行测距，水平测距范围是0.6-389。采用这样的方法进行测距与只采用一个超声波模块平行进行测距的好处是：当前方的有坑时，也能检测出来并即使报警。语音芯片ISD4004可存储8分钟的录音时间，本芯片录了四段录音：当离障碍物389-200时播放第一段录音，当离障碍物200-100时播放第二段录音，当离障碍物100-0时播放第三段录音，当前方有坑或沟时播放第四段录音。2.2 软件技术系统的软件设计采用C语言，可以大大提高程序编写时的效率。设计的关键是如何利用单片机控制超声波模块US-100和ISD4004语音芯片。以便超声波模块能够有效的控制超声波的发送、接收以及正确计算障碍物的距离，以及能够控制语音芯片进行正确的录放。软件实现的功能包括: (1) 控制超声波的发送与接收以及信号的实时采集实现超声波测距的计算；(2) 实现语音芯片的功能，能够有效地进行录放和复位；(3) 遇到障碍物时能够根据障碍物的距离，播放不同的语音提示内容；(4)语音提醒的同时LED灯亮，提醒路人让路；(5)盲人按下按键，使语音提醒停止。通过软件技术的应用希望能够实现一个用户界面美观，交互性好，功能齐全，具有以上几种基本的控制功能的装置。由于技术水平的限制，软件所能够实现的功能可以更加的完善。还可以使得该装置能够进一步完善化，人性化，尽量符合盲人的使用习惯。3 系统设计3.1 总体框架基于电路设计的要求，盲人自动避障电路主要由以AT89S52为主CPU为核心的单片机最小系统、语音电路、音频功放、超声波发射电路以及超声波接收电路组成。AT89S52超声波发射电路超声波发射探头超声波接收探头超声波接收电路语音电路音频功放图3-1 系统的总体框图3.2 各个模块的工作流程AT89S52按键控制语音电路音频功放超声波发射电路超声波接收电路障碍物图3-2 各个模块的工作流程3.3 系统的软件流程图本作品采用的主要芯片有超声波测距模块US-100,语音芯片ISD4004，以及单片机AT89S52。所以系统的软件程序部分包括：主程序，超声波模块子程序，语音模块程序。软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图3-3，3-4，3-5所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 定时中断服务子程序完成两个方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。 开始单片机初始化定时中断子程序有回波吗外部中断子程序YN外部中断入口关外部中断读时间值计算距离结果输出开外部中断返回定时中断入口定时器初始化发射超声波两方均发射完成？停止发射返回YN语音提醒图3-3主程序流程图 图3-4外部中断服务子程序 图3-5 定时中断服务子程序3.4 系统各个模块的设计3.4.1 超声波测距模块US-100超声波测距模块可实现2cm450的非接触测距功能，拥有2.45.5V的宽电压输入范围，静态功耗低于2mA，自带温度传感器对测距结果进行校正，同时具有GPIO，串口等多种通信方式，内带看门狗，工作稳定可靠。、（1） 超声波测距模块的主要技术参数表 3-1 超声波模块的主要技术参数电气参数 超声波测距工作电压DC 2.4V5.5V静态电流2mA工作温度-20+70度输出方式电平或UART（跳线帽选择）感应角度小于15度探测距离2cm-450cm探测精度0.3cm+1%UART模式下串口配置波特率9600，起始位1位，停止位1位，数据位8位，无奇偶校验，无流控制。（3） 超声波模块的内部结构图模块内部的超声波发射电路是由非门构成的一个振荡器发送电路，用非门构成的电路简单，调试容易。很容易通过软件控制。图中把两个非门的输出接到一起的目的是为了提高其吸入电流，电路驱动能力提高。发射电路主要由反相器74LS04和超声波发射换能器T构成，单片机P1.0端口输出的40kHz的方波信号一路经一级反向器后送到超声波换能器的一个电极，另一路经两级反向器后送到超声波换能器的另一个电极，用这种推换形式将方波信号加到超声波换能器的两端，可以提高超声波的发射强度。输出端采两个反向器并联，用以提高驱动能力。上位电阻R1O、R11一方面可以提高反向器74LS04输出高电平的驱动能力，另一方面可以增加超声波换能器的阻尼效果，缩短其自由振荡时间。图3-6由非门构成的超声波发射电路河南理工大学毕业设计（论文）说明书超声波接收包括接收探头，信号放大以及波形变换电路三部分，超声波接收探头必须与发送探头相同的型号，否则可能导致接收效果甚至不能接收。由于超声波接收探头的信号非常弱，所以必须用放大器放大，放大后的正弦波不能被微处理器处理，所以必须经过波形变换。本次设计为了降低调试难度，减少成本，提供系统可靠性，所以我们采用了一种用在彩色电视机上面的一种红外接收检波芯片CX20106，由于红外遥控的中心频率在38KHz，和超声波的40KHz很接近，所以可以用来做接收电路。CX20106是日本索尼公司的产品，采用单列8引脚的直插式封装，内部包含自动偏置控制电路、前置放大电路、带通滤波、峰值检波、积分比较器、斯密特整形输出电路，配合少量外接元件就可以对38KHz左右的信号的接收与处理。 图 3-7 CX20106构成的接收电路（4） 超声波模块接口说明 本模块共有两个接口:模式选择跳线和5 Pin接口。模式选择跳线接口如图3-8所示。模式选择跳线的间距为2.54，当插上跳线帽时为UART（串口）模式，拔掉时为电平触发模式。图 3-8 模式选择跳线接口5 Pin接口为2.54间距的弯排针，如图3-9所示：图 3-9 5 pin 接口从左到右依次编号1,2,3,4,5。它们的定义如下：l 1号Pin：接VCC电源（供电范围2.4V5.5V）。l 2号Pin：当为UART模式时，接外部电路UART的TX端；当为电平触发模式时，接外部电路的Trig端。l 3号Pin：当为UART模式时，接外部电路UART的RX端；当为电平触发模式时，接外部电路的Echo端。l 4号Pin：接外部电路的地。l 5号Pin：接外部电路的地。（5） 电平触发测距工作原理在模块上电前，首先去掉模式选择跳线上的跳线帽，使模块处于电平触发模式。电平触发测距的时序如图3-8所示：图3-10 US-100测距时序图图3-10表明：只需要在Trig/TX管脚输入一个10US以上的高电平，系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过Echo/RX输出。在此模式下，模块将距离值转化为340m/s时的时间值的2倍，通过Echo端输出一高电平，可根据此高电平的持续时间来计算距离值。即距离值为：(高电平时间*340m/s)/2。（注：因为距离值已经经过温度校正，此时无需再根据环境温度对超声波声速进行校正，即不管温度多少，声速选择340m/s即可。）（6）串口触发测距工作原理 在模块上电前，首先插上模式选择跳线上的跳线帽，使模块处于串口触发模式。串口触发测距的时序如图3-11所示：在此模式下只需要在Trig/TX管脚输入0X55（波特率9600），系统便可发出8个40KHZ的超声波脉冲，然后检测回波信号。当检测到回波信号后，模块还要进行温度值的测量，然后根据当前温度对测距结果进行校正，将校正后的结果通过Echo/RX管脚输出。输出的距离值共两个字节，第一个字节是距离的高8位（HDate），第二个字节为距离的低8位（LData），单位为毫米。即距离值为 （HData*256 +LData）mm。图3-11 串口触发测距时序图1. “超声波P89LPC932A1FDH电平触发测距”：将超声波模块插入“US100_使用参考”中J501_Trig中，同时拔掉模块中的跳线子。2. “超声波P89LPC932A1FDH串口测距”：将超声波模块插入“US100_使用参考”中J601_UART中，同时插上模块中的跳线子。3. “超声波测距测温二合一”：1） 电平触发测距模式：拔掉US100上的模式选择跳线，将模块插入J501_Trig中，然后闭合“US100_使用参考”拨码开关S401的1,6位。2）UART测距模式：插上US100上的模式选择跳线帽，将模块插入J601_UART中，然后闭合“US100_使用参考”拨码开关S401的2,5位。3.4.2 语音模块设计（1）ISD4004系列语音芯片介绍本系统采用的是ISD4004系列的语音芯片：ISD4004 系列工作电压3V,单片录放时间8 至16 分钟,音质好,适用于移动电话及其他便携式电子产品中。芯片采用CMOS 技术,内含振荡器、防混淆滤波器、平滑滤波器、音频放大器、自动静噪及高密度多电平闪烁存贮陈列。芯片设计是基于所有操作必须由微控制器控制,操作命令可通过串行通信接口(SPI 或Microwire)送入。芯片采用多电平直接模拟量存储技术, 每个采样值直接存贮在片内闪烁存贮器中,因此能够非常真实、自然地再现语音、音乐、音调和效果声,避免了一般固体录音电路因量化和压缩造成的量化噪声和金属声。采样频率可为 4.0,5.3,6.4,8.0kHz,频率越低,录放时间越长,而音质则有所下降,片内信息存于闪烁存贮器中,可在断电情况下保存100 年(典型值),反复录音10 万次。ISD4004 系列单片语音录放功能介绍： 单片8 至16 分钟语音录放内置微控制器串行通信接口 3V 单电源工作 多段信息处理工作电流25-30mA,维持电流1A不耗电信息保存100 年(典型值)高质量、自然的语音还原技术10 万次录音周期(典型值)自动静噪功能片内免调整时钟,可选用外部时钟表3-2 ISD系列语音芯片参数说明型 号时 间输入采样典型带宽最大段数最小段长外部钟频ISD4004-088分钟8.0kHz3.4kHz1200200ms1024.0kHzISD4004-1010分钟6.4kHz2.7kHz1200250ms819.2kHzISD4004-1212分钟5.3kHz2.3kHz1200300ms682.7kHzISD4004-1616分钟4.0kHz1.7kHz1200400ms512.0kHz（2） ISD4004语音芯片引脚描述 图3-12 ISD4004语音芯片引脚图电源:(VCCA,VCCD) 为使噪声最小,芯片的模拟和数字电路使用不同的电源总线,并且分别引到外封装的不同管脚上,模拟和数字电源端最好分别走线,尽可能在靠近供电端处相连,而去耦电容应尽量靠近器件。地线:(VSSA,VSSD) 芯片内部的模拟和数字电路也使用不同的地线。同相模拟输入：(ANA IN+) 这是录音信号的同相输入端。输入放大器可用单端或差分驱动。单端输入时,信号由耦合电容输入,最大幅度为峰峰值32mV,耦合电容和本端的3K电阻输入阻抗决定了芯片频带的低端截止频率。差分驱动时,信号最大幅度为峰峰值16mV，为ISD33000 系列相同。反相模拟输入：(ANA IN-) 差分驱动时,这是录音信号的反相输入端。信号通过耦合电容输入,最大幅度为峰峰值16mV音频输出：(AUD OUT) 提供音频输出,可驱动5K的负载。片选(SS)：此端为低,即向该ISD4004 芯片发送指令，两条指令之间为高电平。串行输入：(MOSI) 此端为串行输入端，主控制器应在串行时钟上升沿之前半个周期将数据放到本端,供ISD 输入。串行输出：(MISO) ISD 的串行输出端。ISD 未选中时,本端呈高阻态。串行时钟：(SCLK) ISD 的时钟输入端,由主控制器产生,用于同步MOSI 和MISO 的数据传输。数据在SCLK上升沿锁存到ISD,在下降沿移出ISD。中断：(/INT) 本端为漏极开路输出。ISD 在任何操作(包括快进)中检测到EOM 或OVF 时,本端变低并保持。中断状态在下一个SPI 周期开始时清除。中断状态也可用RINT 指令读取。OVF 标志-指示ISD的录、放操作已到达存储器的未尾。EOM 标志-只在放音中检测到内部的EOM 标志时,此状态位才置1。 行地址时钟：(RAC) 漏极开路输出。每个RAC 周期表示ISD 存储器的操作进行了一行(ISD4004 系列中的存贮器共2400 行)。该信号175ms 保持高电平,低电平为25ms。快进模式下,RAC 的218.75s 是高电平,31.25s 为低电平。该端可用于存储管理技术。外部时钟：(XCLK) 本端内部有下拉元件。芯片内部的采样时钟在出厂前已调校,误差在 +1%内。商业级芯片在整个温度和电压范围内, 频率变化在+2.25%内。工业级芯片在整个温度和电压范围内,频率变化在-6/+4%内,此时建议使用稳压电源。若要求更高精度,可从本端输入外部时钟(如前表所列)。由于内部的防混淆及平滑滤波器已设定,故上述推荐的时钟频率不应改变。输入时钟的占空比无关紧要,因内部首先进行了分频。在不外接地时钟时,此端必须接地。自动静噪：(AMCAP) 当录音信号电平下降到内部设定的某一阈值以下时,自动静噪功能使信号衰弱,这样有助于养活无信号(静音)时的噪声。通常本端对地接1mF 的电容,构成内部信号电平峰值检测电路的一部分。检出的峰值电平与内部设定的阈值作比较,决定自动静噪功能的翻转点。大信号时,自动静噪电路不衰减,静音时衰减6dB。1mF 的电容也影响自动静噪电路对信号幅度的响应速度。本端接VCCA 则禁止自动静噪。（3） SPI（串行外设接口）ISD4004 工作于SPI 串行接口。SPI 协议是一个同步串行数据传输协议,协议假定微控制器的SPI 移位寄存器在SCLK 的下降沿动作,因此对ISD4004 而言,在时钟止升沿锁存MOSI 引脚的数据,在下降沿将数据送至MISO 引脚。协议的具体内容为：1.所有串行数据传输开始于SS 下降沿。2.SS 在传输期间必须保持为低电平,在两条指令之间则保持为高电平。3.数据在时钟上升沿移入,在下降沿移出。4.SS 变低,输入指令和地址后,ISD 才能开始录放操作。5.指令格式是(8 位控制码)加(16 位地址码)。6.ISD 的任何操作(含快进)如果遇到EOM 或OVF,则产生一个中断,该中断状态在下一个SPI 周期开始时被清除。7.使用读指令使中断状态位移出ISD 的MISO 引脚时,控制及地址数据也应同步从MOSI 端移入。因此要注意移入的数据是否与器件当前进行的操作兼容。当然,也允许在一个SPI 周期里,同时执行读状态和开始新的操作(即新移入的数据与器件当前的操作可以不兼容)。8.所有操作在运行位(RUN)置1 时开始,置0 时结束。9.所有指令都在SS 端上升沿开始执行。10.信息快进：用户不必知道信息的确切地址,就能快进跳过一条信息。信息快进只用于放音模式。放音速度是正常的1600 倍,遇到EOM 后停止,然后内部地址计数器加1,指向下条信息的开始处。11.上电顺序：器件延时TPUD(8kHz 采样时,约为25 毫秒)后才能开始操作。因此,用户发完上电指令后,必须等待TPUD,才能发出一条操作指令。例如,从00 从处发音,应遵循如下时序:1. 发POWERUP 命令;2. 等待TPUD(上电延时);3. 发地址值为00 的SETPLAY 命令;4. 发PLAY 命令。器件会从此00 地址开始放音,当出现EOM 时,立即中断,停止放音。如果从00 处录音,则按以下时序:1. 发POWER UP 命令;2. 等待TPUD(上电延时);3. 发POWER UP 命令4. 等待2 倍TPUD;5. 发地址值为00 的SETREC 命令;6. 发REC 命令。器件便从00 地址开始录音,一直到出现OVF(存贮器末尾)时,录音停止。表3-3 指令表指令 8 位控制码 操作摘要 POWERUP 00100XXX 上电:等待TPUD后器件可以工作 SET PLAY 11100XXX 从指定地址开始放音,必须后跟PLAY指令使放音继续 PLAY 11110XXX 从当前地址开始放音(直至 EOM 或 OVF) SET REC 10100XXX 从指定地址开始录音。必须后跟REC 指令录音继续 REC 10110XXX 从当前地址开始录音(直至 OVF 或停止) SET MC 11101XXX 从指定地址开始快进。必须后跟MC 指令快进继续 MC 11111XXX 执行快进,直到 EOM.若再无信息,则进入 OVF 状态 STOP 0X110XXX 停止当前操作 STOP WRDN 0X01XXXX 停止当前操作并掉电 RINT 0X110XXX 读状态:OVF 和 EOM 注：快进只能在放音操作开始时选择。 （4）ISD语音芯片内部框图图3-13 ISD语音芯片内部框图（5）ISD4004语音模块硬件电路图语音录放模块的硬件电路如图3-14所示。麦克风，用于录入语音，可完成普通的现场录音。在放音电路中，输出端选用低电压通用集成功率放大器TDA2822的典型应用电路作为扬声器LS1的驱动电路。图3-14 语音录放模块硬件电路3.4.3 音频功放模块 TDA2822是小功率集成功放，其特点是：工作电压低，低于1.8V时仍能正常工作，集成度高，外围元件少，音质好。TDA2822广泛应用于收音机、随身听、耳机放大器等小功率功放电路中。(1)TDA2822小功率集成功放芯片介绍如图3-15 TDA2822小功率集成功放的封装形式：图3-15 TDA2822的封装形式如图3-16 TDA2822小功率集成功放的引脚图3-16 TDA2822的引脚图如图3-17TDA2822小功率集成功放的内部方框图图3-17 TDA2822的内部框图表3-4 各引脚功能引出端序号 符号 功能 1 OUT1 输出端12 VCC 电源 3 OUT2 输出端 4 GND 地 5 IN2(-) 反向输入端2 6 IN2(+) 正向输入端2 7 IN1(+) 正向输入端1 8 IN1(-) 反向输入端1表3-5 最大额定值参数名称 符合 数值 单位电源电压 VCC 6 V输出峰值电流 ITOP 1 A功耗 Tamb=50 PD 1 W Tcase=60 1.4 结温 TJ 150 贮存温度 Tstg -40-+150 (2) TDA2822小功率集成功放模块其工作电压：3V-15V ;BTL方式电路。R3、C5、R2、C4构成的茹贝尔网络，可以用来抑制高频高次谐波，使音频更加纯正。C2、C3用于交流负反馈。如图3-18 TDA2822音频功放原理图3.4.4 单片机最小系统及其简单应用这部分主要介绍52 系列单片机的最小系统的实现并通过编写程序来实现对单片机IO 口的输出控制。简要的介绍单片机的原理、最小系统的组成，并通过简单的AT89S52程序设计来讲述编译软件Keil的使用并下载Hex 文件烧写单片机。(1)单片机最小系统原理简介单片机又称单片微控制器， 是在一块芯片中集成了CPU（ 中央处理器）、RAM（ 数据存储器）、ROM（ 程序存储器）、定时器/ 计数器和多种功能的I/O（ 输入/ 输出） 接口等一台计算机所需要的基本功能部件，从而可以完成复杂的运算、逻辑控制、通信等功能。单片机的最小系统就是让单片机能正常工作并发挥其功能时所必须的组成部分，也可理解为是用最少的元件组成的单片机可以工作的系统。对52 系列单片机来说， 最小系统一般应该包括： 单片机、时钟电路、复位电路、输入/ 输出设备等（见图3-19）。输入（输出）设备单片机复位电路电源时钟电路图3-19单片机最小系统框图(2) 具体电路详解依据上文的内容，设计52 系列单片机最小系统见图3-19：图3-20 51系列单片机最小系统下面就图3-19 所示的单片机最小系统各部分电路进行详细说明：1. 时钟电路图3-21 时钟电路在设计时钟电路之前，先了解下52 单片机上的时钟管脚：XTAL1（19 脚） ：芯片内部振荡电路输入端。XTAL2（18 脚） ：芯片内部振荡电路输出端。XTAL1 和XTAL2 是独立的输入和输出反相放大器，它们可以被配置为使用石英晶振的片内振荡器，或者是器件直接由外部时钟驱动。图2 中采用的是内时钟模式，即采用利用芯片内部的振荡电路，在XTAL1、XTAL2 的引脚上外接定时元件（一个石英晶体和两个电容），内部振荡器便能产生自激振荡。一般来说晶振可以在1.2 12MHz 之间任选，甚至可以达到24MHz 或者更高，但是频率越高功耗也就越大。在本实验套件中采用的11.0592M 的石英晶振。和晶振并联的两个电容的大小对振荡频率有微小影响，可以起到频率微调作用。当采用石英晶振时，电容可以在20 40pF 之间选择（本实验套件使用30pF）；当采用陶瓷谐振器件时，电容要适当地增大一些，在30 50pF 之间。通常选取33pF 的陶瓷电容就可以了。2. 复位电路 图3-22 复位电路在单片机系统中，复位电路是非常关键的，当程序跑飞（运行不正常）或死机（停止运行）时，就需要进行复位。52系列单片机的复位引脚RST（ 第9 管脚） 出现2个机器周期以上的高电平时，单片机就执行复位操作。如果RST 持续为高电平，单片机就处于循环复位状态。复位操作通常有两种基本形式：上电自动复位和开关复位。图3-22 中所示的复位电路就包括了这两种复位方式。上电瞬间，电容两端电压不能突变，此时电容的负极和RESET 相连，电压全部加在了电阻上，RESET 的输入为高，芯片被复位。随之+5V电源给电容充电，电阻上的电压逐渐减小，最后约等于0，芯片正常工作。并联在电容的两端为复位按键，当复位按键没有被按下的时候电路实现上电复位，在芯片正常工作后，通过按下按键使RST管脚出现高电平达到手动复位的效果。一般来说，只要RST 管脚上保持10ms 以上的高电平，就能使单片机有效的复位。图中所示的复位电阻和电容为经典值，实际制作是可以用同一数量级的电阻和电容代替，读者也可自行计算RC 充电时间或在工作环境实际测量，以确保单片机的复位电路可靠。3. EA/VPP（31 脚） 的功能和接法52单片机的EA/VPP（31 脚） 是内部和外部程序存储器的选择管脚。当EA 保持高电平时，单片机访问内部程序存储器；当EA 保持低电平时，则不管是否有内部程序存储器，只访问外部存储器。对于现今的绝大部分单片机来说，其内部的程序存储器（一般为flash）容量都很大，因此基本上不需要外接程序存储器，而是直接使用内部的存储器。在本实验套件中，EA 管脚接到了VCC 上，只使用内部的程序存储器。这一点一定要注意，很多时候常常将EA 管脚悬空，从而导致程序执行不正常。4. P0 口外接上拉电阻52 单片机的P0 端口为开漏输出，内部无上拉电阻（见图3-21）。所以在当做普通I/O 输出数据时，由于V2 截止，输出级是漏极开路电路，要使“1”信号（即高电平）正常输出，必须外接上拉电阻。图3-23 P0端口的1位结构另外，避免输入时读取数据出错，也需外接上拉电阻。在这里简要的说下其原因：在输入状态下，从锁存器和从引脚上读来的信号一般是一致的，但也有例外。例如，当从内部总线输出低电平后，锁存器Q 0， Q 1，场效应管V1 开通，端口线呈低电平状态。此时无论端口线上外接的信号是低电平还是高电平，从引脚读入单片机的信号都是低电平，因而不能正确地读入端口引脚上的信号。又如，当从内部总线输出高电平后，锁存器Q 1, Q 0,场效应管V1 截止。如外接引脚信号为低电平， 从引脚上读入的信号就与从锁存器读入的信号不同。所以当P0 口作为通用I/O 接口输入使用时，在输入数据前，应先向P0 口写“1”，此时锁存器的Q 端为“0”，使输出级的两个场效应管V1、V2 均截止，引脚处于悬浮状态，才可作高阻输入。总结来说：为了能使P0 口在输出时能驱动NMOS 电路和避免输入时读取数据出错，需外接上拉电阻。在本实验套件中采用的是外加一个10K 排阻。此外，51 单片机在对端口P0P3 的输入操作上，为避免读错，应先向电路中的锁存器写入“1”，使场效应管截止，以避免锁存器为“0”状态时对引脚读入的干扰。 (3) 程序设计 在单片机编程语言上，有C 语言和汇编两种选择。本系列教程采用C 语言编写程序，在此对语言和汇编语言在进行单片机开发时进行下简单比较，汇编语言面向硬件，要求对硬件的特性如寄存器之类的比较熟悉，执行效率高，但可读性和移植性差，不同的单片机之间的程序不能通用，例如学会了52 单片机的汇编指令，却没法用到AVR 单片机上。语言面向过程，可读性和移植性很好，效率要比汇编低一些。对于刚接触单片机的人来说，学习这两种语言是一样的，但在以后的开发效率上，C 语言的优势就体现出来了，其可以几乎完全不改动的情况下移植，大大提高了开发速度。4 测试部分4.1 实验方法4.1.1 超声波测距的方法（1）超声波测距原理超声波发生器内部结构有两个压电晶片和一个共振板。当它的两极外加脉冲信号，其频率等于压电晶片的固有振荡频时，压电晶片将会发生共振，并带动共振板振动，便产生超声波。反之，如果两电极间未外加电压，当共振板接收到超声波本时，将压迫压电晶片作振动，将机械能转换为电信号，就成为超声波接收器。在超声探测电路中，发射端得到输出脉冲为一系列方波，其宽度为发射超声的时间间隔，被测物距离越大，脉冲宽度越大，输出脉冲个数与被测距离成正比。超声测距大致有以下方法： 取输出脉冲的平均值电压，该电压 (其幅值基本固定 )与距离成正比，测量电压即可测得距离； 测量输出脉冲的宽度，即发射超声波与接收超声波的时间间隔t，故被测距离为 SVt/2。本测量电路采用第二种方案。由于超声波的声速与温度有关，如果温度变化不大，则可认为声速基本不变 。如果测距精度要求很高，则应通过温度补偿的方法加以校正。所需公式：测出发射和接收回波的时间差t，然后求出距离S： 在空气中，常温下超声波的传播速度是 340米秒，但其传播速度V易受空气中温度、湿度、压强等因素的影响，其中受温度的影响较大，如温度每升高 1，声速增加约0.6米/秒。因此在测距精度要求很高的情况下，应通过温度补偿的方法对传播速度加以校正。已知现场环境温度T时，超声波传播速度V的计算公式可近似如下：图4-1 超声波测距原理图表4-1声速与温度关系表：表4-1 声速与温度关系温度（） -30 -20 -10 0 10 20 30 100声速（米/秒）313 319 325 323 338 344 349 386（2）在本系统中利用超声波模块测距的方法 在本系统中利用两个超声波模块进行测距，其中一个模块的超声波探头垂直向下，这个模块主要测超声波模块距地面的垂直距离，另一个模块的超声波探头斜向下。这样两各个模块利用直角三角形的勾股定理，可算出距离障碍物的距离有多远。 利用这种测距方法比直接用一个超声波模块的好处：这种方法不仅可以检出高于地面的障碍物，当盲人前面有坑时也能检测出来。(3)超声波模块测距的流程图单片机初始化定时中断子程序有回波吗外部中断子程序YN外部中断入口关外部中断读时间值计算距离结果输出开外部中断返回定时中断入口定时器初始化发射超声波两方均发射完成？停止发射返回YN开始图4-2主程序流程图 图4-3外部中断服务子程序 图4-4 定时中断服程序软件分为两部分，主程序和中断服务程序，如图4-2，4-3，4-4所示。主程序完成初始化工作、各路超声波发射和接收顺序的控制。 定时中断服务子程序完成两个方向超声波的轮流发射，外部中断服务子程序主要完成时间值的读取、距离计算、结果的输出等工作。 4.1.2语音芯片的使用方法（1）循环录放电路的设计该电