超声波导盲系统硬件电路设计

谢运陶

摘 要： 中国是世界上盲人数量最多的国家，盲人生活在黑暗的世界中，给工作、生活、社交活动带来莫大的困难，如何安全行走是盲人生活中最大的问题。为了解决这一问题，作者在研究超声波导盲系统工作原理的基础上，采用C8051F340单片机作为控制器，对导盲系统硬件电路进行设计，解决系统硬件电路问题。

关键词： 导盲仪 超声波传感器 电路设计

超声波导盲系统硬件电路部分主要包括单片机电路、超声波测距电路、温度补偿电路、报警电路和外围其他电路。系统硬件电路总体结构如图1所示。

各模块功能介绍如下：

超声波发射电路：实现超声波信号的发射，单片机不断发射出超声波信号，以便实时检测前方是否有障碍物。

超声波接收电路：实现超声波信号的接收，经过滤波和功率放大后送入单片机进行处理。

温度传感器电路：检测当前温度环境下的温度，以便将温度传给单片机，进行温度补偿，将测距温差降低到最低。

语音报警电路：根据需要，发出报警信号，通知使用者前方出现障碍物等各种情况。

一、超声波发射电路

超声波导盲系统发射电路采用LM555/LM555C系列时基电路，LM555/LM555C作为一款经典的集成电路，有着比较典型的特性：灵活性强，可以应用到非常多的领域中，通常被用来产生脉冲信号和用作时间延迟。在各种各样的电子产品中均可用到。

555时基电路包括两种：TTL型和CMOS型，上述介绍的LM555/LM555C属于前者，TTL型时基电路的特点是输出功率比较大，可以驱动的电流达到200mA。相比较于TTL型，CMOS型的时基电路输出功率比较低，但功耗低，电源电压要求也不如TTL型高，输入阻抗非常高，但是输出的驱动电流不足TTL型的十分之一，通常不超过十毫安。

通常把LM555时基电路等同为R-S触发器，相对于R-S触发器的输入端，LM555的阈值端等同于置0端R，高电平有效。触发端（TR）等同于置位端S，低电平使能。其输出端（OUT）就等同于触发器的输出端Q。放电端（DIS）可看成由内部放电开关控制的一个接点，放电开关由触发器的反Q端控制：反Q=1时DIS端接地；反Q=0时DIS端悬空。复位端R，控制电压端R，电源端VCC，接地端GND功能不变，是相比于R-S触发器多出的端口。

LM555定时器的主要作用是结合电阻和电容构成充放电电路。利用两个比较器，通过不断检测电容器上电压值的大小，决定输出电平的高低和放电导管的开与闭。使用这个原理和结合方式可以构成一系列功能电路，包括延时电路、单稳态触发器、多谐振荡器、施密特触发器等脉冲产生或波形变换电路。

利用555时基电路振荡产生40kHz的超声波信号，使之与换能器的40kHz固有频率一致。12V电源能使555时基具有足够驱动能力。P0.1为超声波发射控制信号，由单片机控制。发射电路如图2所示。

二、超声波接收电路

本系统采用LM567锁相环电路作为音调译码器，LM567电路由三部分组成：电流控制振荡器、鉴相器锁和反馈滤波器。该音调译码器中，存在一个锁相环路和一个晶体管开关，在该音调译码器上连接上设定好的音频信号时，便会产生对应的接地方波。该电路由I与Q检波器组成，通过电压驱动振荡器确定译码器的频率。用外接元件独立设定中心频率带宽和输出延迟。

LM567锁相环电路可以实现震荡、调制、解调、遥控编码和译码电路。如电力线载波通信，对讲机亚音频译码，遥控等。

LM567的工作原理类似于低电压的电源开关，如果其接收到的音频信号符合其要求，在其要求的频率范围之内，便可将其开关连通。除此之外，LM567也能用到可变形发生器或是通用锁相环电路中。在LM567作为音频信号开关使用时，所能检测的中心频率在0.1至500KHZ范围间，对应的检测带宽可以设定在中心频率14%内。同时，音频信号开关的启动时间可以借助外部电阻和电容，其可调范围自由设定。

LM567的引脚图如图3所示。

管脚功能描述：

1、2脚通常分别通过一个电容器接地，形成输出滤波网络和环路单级低通滤波网络。2脚所接电容决定锁相环路的捕捉带宽：电容值越大，环路带宽越窄。1脚所接电容的容量应至少是2脚电容的2倍。3脚是输入端，要求输入信号≥25mV。8脚是逻辑输出端，其内部是一个集电极开路的三极管，允许最大灌电流为100mA。

LM567电气参数：

LM567的工作电压为4.75～9V，工作频率从直流到500kHz，静态工作电流约8mA。

LM567芯片使用：LM567为通用音调译码器，主要用于外界接电阻20比1范围，逻辑兼容输出具有吸收100mA电流能力。

超声波发射电路发出的超声波信号经过障碍物发射回来后转变成功率极小的交流信号，该交流信号接入运放LM358，经过电路放大后，接入音频译码器中的LM567，LM567因为具有选频的功能，其内部的压控振荡器的中心频率，当LM567输入信号的电压值超过25mV时，输出端信号由高电平跳变为低电平，将这个跳变信号作为中断信号送入单片机中，启动中断服务子程序。接收电路如图5所示。

三、限幅保护电路

在本系统中，探测电路的驱动电压比较高，有可能造成后级电路中放大器出现过载的情况，人为控制好高电平的振幅，并且避免寄生调幅产生的干扰，需要对超声波的发射信号做幅值保护。在限幅保护模块中，使用两个IN4148稳压二极管组成双向限幅保护电路，1N4148开关二极管。主要在仪器仪表、电子设备的开关电路、检波电路、高频和脉冲整流电路及自动控制电路中，如图6所示。

四、温度补偿电路

数字式温度传感器SHT10由两个电容式聚合体测湿元件和一个隙式测温元件组成，并与一个14位A/D转换器和一个2-wire数字接口在单芯片中无缝结合，直接与单片机相连，该产品具有功耗低，反应快，抗干扰能力强等优点。endprint

单片机与SHT10接口电路部分：SHT10的SCK口和DATA口分别与单片机的P0.2口和P0.3口连接，DATA端口需要一个外部的4.7kΩ上拉电阻将信号提拉至高电平，只有当DATA为高电平时，SHT10才开始工作，如图7所示。

五、语音报警电路

本系统语音报警器采用ISD1420语音芯片，ISD1420芯片型号的最后2位数字表示语音录放时间的长度。这种芯片录放音时间最长20s；需要的外接电路很简单，必要的电阻、电容与麦克风结合在一起便可组成一个功能齐全的语音录放系统；该芯片存储的是模拟信息，模拟信息可以保证声音质量，还可以达到一定的混响效果；待机时低功耗（仅0.5μA），典型放音电流15mA，可扩充级联；可持续放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段数160段；录放次数达10万次；系统断电时，音频信号可以保存，不会丢失，不需要外在电源维持，信息的存放时间可以高达100年；使用简便，不需要配套专用的音频处理器；使用低电压或是副跳变沿方式触发录音，供电方式采用单极性电源，供电电压通常采用+5V。引脚图如图8所示。

ISD1420各管脚功能简述如下：

A0～A7：地址输入端或控制命令输入端；当A7A6同时为高电平时，A4-A0

为控制命令，否则，A7-A0为地址；

VCCD：数字电路电源；

VCCA：模拟电路电源，+5V；

VSSD：数字信号地线；

VSSA：模拟信号地线；

SP+，SP-：音频信号输出端，连接8-16扬声器；

XCLK：时钟控制端。

ANAIN：模拟信号输入端。

ANAOUT：模拟信号输出端；

AGC：自动增益控制，调整芯片内部前置放大器增益，使录入信号不失真。

MIC：话筒输入端，通过电容耦合，连接驻极体话筒。

MICREF：话筒参考输入端。

PLAYE：放音控制脉冲触发端，该端输入由高电平向低电平跳变的下降沿时，芯片进入放音周期；

PLAYL：放音控制电平触发端，当该端为低电平时，芯片进入放音周期；当该端为高电平时，停止放音。

REC：录音控制端，当该为低电平时，芯片进入录音状态，录音期间该端必须保持低电平。

RECLED：录音显示端，该端接发光二极管，在录音时做录音指示灯。

NC：空脚。

ISD1420系列语音集成电路由内部时钟电路、自动增益控制电路、前置放大电路滤波器、差动功率放大器、电源电路、存储器EEPROM、地址译码电路、存储控制电路等组成，其内部电路逻辑结构框图如图9所示。

语音报警芯片采用美国ISD生产的新型优质单片机录放音电路ISD1420。该芯片采用了直接模拟量存储技术DAST。语音信号不经过转换直接以原来状态存储到内部存储器。可以提供真实自然的音乐、语音、声音等。音质不会受到影响，同时不需要专用语音开发工具，成本低廉。

语音报警电路图如图9所示。endprint

单片机与SHT10接口电路部分：SHT10的SCK口和DATA口分别与单片机的P0.2口和P0.3口连接，DATA端口需要一个外部的4.7kΩ上拉电阻将信号提拉至高电平，只有当DATA为高电平时，SHT10才开始工作，如图7所示。

五、语音报警电路

本系统语音报警器采用ISD1420语音芯片，ISD1420芯片型号的最后2位数字表示语音录放时间的长度。这种芯片录放音时间最长20s；需要的外接电路很简单，必要的电阻、电容与麦克风结合在一起便可组成一个功能齐全的语音录放系统；该芯片存储的是模拟信息，模拟信息可以保证声音质量，还可以达到一定的混响效果；待机时低功耗（仅0.5μA），典型放音电流15mA，可扩充级联；可持续放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段数160段；录放次数达10万次；系统断电时，音频信号可以保存，不会丢失，不需要外在电源维持，信息的存放时间可以高达100年；使用简便，不需要配套专用的音频处理器；使用低电压或是副跳变沿方式触发录音，供电方式采用单极性电源，供电电压通常采用+5V。引脚图如图8所示。

ISD1420各管脚功能简述如下：

A0～A7：地址输入端或控制命令输入端；当A7A6同时为高电平时，A4-A0

为控制命令，否则，A7-A0为地址；

VCCD：数字电路电源；

VCCA：模拟电路电源，+5V；

VSSD：数字信号地线；

VSSA：模拟信号地线；

SP+，SP-：音频信号输出端，连接8-16扬声器；

XCLK：时钟控制端。

ANAIN：模拟信号输入端。

ANAOUT：模拟信号输出端；

AGC：自动增益控制，调整芯片内部前置放大器增益，使录入信号不失真。

MIC：话筒输入端，通过电容耦合，连接驻极体话筒。

MICREF：话筒参考输入端。

PLAYE：放音控制脉冲触发端，该端输入由高电平向低电平跳变的下降沿时，芯片进入放音周期；

PLAYL：放音控制电平触发端，当该端为低电平时，芯片进入放音周期；当该端为高电平时，停止放音。

REC：录音控制端，当该为低电平时，芯片进入录音状态，录音期间该端必须保持低电平。

RECLED：录音显示端，该端接发光二极管，在录音时做录音指示灯。

NC：空脚。

ISD1420系列语音集成电路由内部时钟电路、自动增益控制电路、前置放大电路滤波器、差动功率放大器、电源电路、存储器EEPROM、地址译码电路、存储控制电路等组成，其内部电路逻辑结构框图如图9所示。

语音报警芯片采用美国ISD生产的新型优质单片机录放音电路ISD1420。该芯片采用了直接模拟量存储技术DAST。语音信号不经过转换直接以原来状态存储到内部存储器。可以提供真实自然的音乐、语音、声音等。音质不会受到影响，同时不需要专用语音开发工具，成本低廉。

语音报警电路图如图9所示。endprint

单片机与SHT10接口电路部分：SHT10的SCK口和DATA口分别与单片机的P0.2口和P0.3口连接，DATA端口需要一个外部的4.7kΩ上拉电阻将信号提拉至高电平，只有当DATA为高电平时，SHT10才开始工作，如图7所示。

五、语音报警电路

本系统语音报警器采用ISD1420语音芯片，ISD1420芯片型号的最后2位数字表示语音录放时间的长度。这种芯片录放音时间最长20s；需要的外接电路很简单，必要的电阻、电容与麦克风结合在一起便可组成一个功能齐全的语音录放系统；该芯片存储的是模拟信息，模拟信息可以保证声音质量，还可以达到一定的混响效果；待机时低功耗（仅0.5μA），典型放音电流15mA，可扩充级联；可持续放音，也可分段放音，最小分段20s/160段=0.125s/段，可分段数160段；录放次数达10万次；系统断电时，音频信号可以保存，不会丢失，不需要外在电源维持，信息的存放时间可以高达100年；使用简便，不需要配套专用的音频处理器；使用低电压或是副跳变沿方式触发录音，供电方式采用单极性电源，供电电压通常采用+5V。引脚图如图8所示。

ISD1420各管脚功能简述如下：

A0～A7：地址输入端或控制命令输入端；当A7A6同时为高电平时，A4-A0

为控制命令，否则，A7-A0为地址；

VCCD：数字电路电源；

VCCA：模拟电路电源，+5V；

VSSD：数字信号地线；

VSSA：模拟信号地线；

SP+，SP-：音频信号输出端，连接8-16扬声器；

XCLK：时钟控制端。

ANAIN：模拟信号输入端。

ANAOUT：模拟信号输出端；

AGC：自动增益控制，调整芯片内部前置放大器增益，使录入信号不失真。

MIC：话筒输入端，通过电容耦合，连接驻极体话筒。

MICREF：话筒参考输入端。

PLAYE：放音控制脉冲触发端，该端输入由高电平向低电平跳变的下降沿时，芯片进入放音周期；

PLAYL：放音控制电平触发端，当该端为低电平时，芯片进入放音周期；当该端为高电平时，停止放音。

REC：录音控制端，当该为低电平时，芯片进入录音状态，录音期间该端必须保持低电平。

RECLED：录音显示端，该端接发光二极管，在录音时做录音指示灯。

NC：空脚。

ISD1420系列语音集成电路由内部时钟电路、自动增益控制电路、前置放大电路滤波器、差动功率放大器、电源电路、存储器EEPROM、地址译码电路、存储控制电路等组成，其内部电路逻辑结构框图如图9所示。

语音报警芯片采用美国ISD生产的新型优质单片机录放音电路ISD1420。该芯片采用了直接模拟量存储技术DAST。语音信号不经过转换直接以原来状态存储到内部存储器。可以提供真实自然的音乐、语音、声音等。音质不会受到影响，同时不需要专用语音开发工具，成本低廉。

语音报警电路图如图9所示。endprint