[硬件项目] 1、汽车倒车雷达设计——基于API8108A芯片简易智能语音模块的设计与实现

 

 

 

前言

汽车倒车防碰撞系统是一种辅助汽车泊车装置。低配的由超声波收发电路、回波放大电路、语音提示电路、数码显示、报警及温度补偿电路组成，高配的有时会带有后视视频系统。^[1]

    

 

一、工作原理

如下图在汽车的尾部安装4个超声波探头，倒车时，采用往返时间测量法测量汽车尾部到障碍物的距离，通过数码管实时显示距离，当车尾部的超声波探头与障碍物的距离小于设定值的安全值时，通过蜂鸣器报警提示驾驶员。

这里测距一般采用4路超声波传感器分时隙工作，采用往返时间测量法测距，测距原理是当汽车进行倒车时，防碰撞系统开始工作，单片机产生一串40KHz的矩形波，经4选1模拟开关按时序分别向4路超声波探头传给发射电路，通过超声波换能器发射超声波，同时开启计数器计数，超声波传至障碍物后反射，反射回来部分超声波被超声波换能器接收并转换成电信号，再经过接收电路滤波、放大、整形后，触发单片机外部中断，产生中断，计数器停止计数，测出超声波发射脉冲串到接收回波信号的时间差 t，并根据超声波在空气中传播的速度v，得出被测距离：

S=vt/2

由于声速会受到环境温度的影响，温度与声速的关系为：

v≈v0+0.607T

式中：v0=332m/s为0℃时的声波速度；T为当前的环境温度。因此只需要通过温度传感器测出T即可得到S的修正值。通过比较选取的4路信号中的最短距离进行显示，当显示值小于设定警报值时，单片机控制蜂鸣器发出报警声音，随着距离越来越近，报警声音频率越大，同时显示部分两侧的条形数码管显示条数量增加以表示危险级别。最大测量距离与超声波传感器性能、驱动电路、回波放大电路等因素相关。

 

二、主要模块介绍

系统主要模块包括：显示模块、语音报警和四探头测距模块（MCU负责整体逻辑协调、温度测量可采用数字式也可采用热敏电阻、蜂鸣器报警可以直接由MCU控制）。此外显示模块设计没有难点，如果为了追求绚丽可以考虑采用TFT屏；语音模块这里引入一个API8108A语音芯片介绍、测距先简单介绍几种方案（后面会细讲）。

 

三、具体模块详解

API8108A、API8108A（一次性编程语音系列）^[2]

>_<: _（介绍）10、20秒多功能可编程语音电路是采用大规模CMOS芯片技术制造的最新ASIC专用语音电路。它们内部包含语音处理器、EPROM存储器、A/D、D/A数模转换器、逻辑接口控制器、音频放大器、时钟振荡器等大量部件，能完成从语音数据写入固化到语音高保真重放的全过程工作，外围秩序几只元件即可。过去这种电路常采用8031、2764、DA0832等IC组合完成，体积大、耗电大、成本高，现在API8108A、API8208A比常规语音处理电路设计要结构简单、体积微小的多，而成本只是过去的五分之一。

API8108A、API8208A可根据需要分为一至八段录放，其语音可以最大不重复时间分别为10秒和20秒，重复部分可不计算时间。其语音录入需要专门的计算机编程器上进行，一旦录入即成为固定数据，不能再更改或抹掉，永久保存。固化了语音之后的API8108A、API8208A在放音使用上和普通的音乐集成片一样简单，只是发出的不是单调的音符曲调，而是极其逼真的话语模拟声响，其效果经计算机软件处理可与磁带、CD媲美。

>_<: _{（工作要求）}其电源电压为：2.6~6V，静态耗电<5uA，工作温度：-10度~60度，储存温度：-55度~125度，发光管驱动电路：8mA。

>_<: _{（引脚说明）}1、5、6编程选择脚；2、3电压放大推挽输出，外接蜂鸣器或喇叭；4电源接地端；7电流放大输出，外接三极管放大推动喇叭；8外接振荡电阻，决定放音速度；9编程电源端；12电源接正端；10、11、13、14发音触发器，高电平有效，组合控制8段；15单键触发端，高有效使所有的段顺序放音；16放音停止端，高电平使放音中断停止。

编程引脚OUT1、OUT2、OUT3功能选择：

※STP指OUT输出15ms的停止脉冲，（也可推另一片语音IC，以增加语音长度）

※BUSY指OUT输出忙信号，推动马达或其它

语音分段控制选择：（L表示接正触发，N表示不接）

放音频率、振荡电阻（ROSC）与放音时间选择：

>_<: _{（基础应用）}基础电路应用：

① COUT输出驱动喇叭　&&　VOUT输出驱动蜂鸣偏或喇叭

② 八段触发控制（见上表）

③ 两片串联加长语音长度

④ 带LED的电路

>_<: _{（时序波形）}时序波形示意图：

1. Level, Unholdable, Non-retriggerable（电平的、非保持的、非触发的）

展示了两种情况：触发的时长小于一个Group的播放时长和触发时长超过一个Group的播放时长。可见小于的情况在一个Group的时间内多个触发只起单个作用，当大于Group时长的触发会导致Group再次启动。

2. Level Holdable（电平保持）

展示了两种情况：（和上面一样。当小于时，播放会直接停止；当大于时，播放会重新开始同样也会戛然而止。

3. Single Button Trigger (SBT), Sequential（这是一个按钮的控制情况）

这是Level Unholdable情况的长短两种情况，可见：SBT每次触发会进行一次Group的切换，直到第8个又重新从第1个开始，如果某一个SBT信号持续时间超过当前播放一组的时长，会导致该组重复播放，直至SBT切换。

这是Level Holdable情况的长短两种情况，可见：类似与上面的Level Unholdable情况，只是会出现截止情况。

4. Edge,Unholdable,Non-retritggerable（边缘触发的、非保持的、非触发的）

和上面1的电平触发的比较可以看出当触发时长保持超过Group的时长时，仍然播放一次。

5. Edge Holdable

和上面2的电平保持比较可以发现当触发时长保持超过Group的时长时，仍然播放一次。

6. Single Button Trigger (SBT), Sequential（这是一个按钮控制的情况）

这是Edge Unholdable应和3的Level Unholdable比较发现这仍然是Edge触发的特点：当时长超过时，仍然只播放一次。

同样的Edge Holdable不再说明。

>_<: _{（使用注意事项）}

编程烧写语音芯片时注意：语音芯片型号要与软件相对应，不可互相混淆。
烧写时注意：首先检测是否空片，是空片再开始烧写；OPT芯片不可多次烧写不用的内容。
API8108A、840N语音芯片烧写采用6V供电，API8208A语音芯片采用5V供电（可以采用ADAPTOR转换烧写电压）。

>_<: _{（具体应用）}^[3] 

AT89C205除了在外部引脚上少了两个并口外，其他资源与AT89C52完全相同，且内部的2KFLASHROM能够很方便的进行擦写。该单片机的P1口是一个8位双向I/O口，其中P1.2~P1.7口内部提供上拉电阻，P1.0和P1.1需要外接上拉电阻。P1.0和P1.1同时也是片内精确模拟比较器的正输入端（AIN0）和负输入端（AIN1）。P3口是7个带有内部上拉电阻的双向口（P3.6除外）。

为了提高音量，在该设计中加入了音频放大芯片LM386。LM386是美国国家半导体公司生产的音频放大器，主要应用于低电压消费类产品。为使外围元件最少，电压增益内置为20，如果在1脚和8脚之间增加一只外接电阻和电容，便可将电压增益调为任意值，直至200。输入端以地为参考，同时输出端被自动偏置到电源电压的一半，在6V电源电压下，它的静态功耗仅仅为24mW，所以它是一种低电压小功率的音频功放集成电路，采用8脚双列直插式封装，第6脚为电源正极，第4脚接地，第2、3脚为选择输入端，第5脚为输出端，第1、8脚为增益控制端，第7脚为旁路端。它具有共组电压宽（4~12V）、静态耗电少、电压增益可调（20~200）、外接元件少、频带宽（300KHz）、低失真度。

整个电路图如上图：单片机的P3口控制API8108A的TG1~TG4，用来控制语音的分段输出。R4为语音模块的振荡电阻，其余放音时间的关系见上面的表格。在本设计中选用200千欧，放音时间为9s左右。由于U3的1脚和8脚之间只连接10微法的电容，此音频放大倍数为200倍。通过R2还可以调节音量大小，如果想降低音量，只需在U3的3脚连接一个电位器和R2进行分压即可。

播放语音已经预先录制好，存放在API8108A语音芯片的各单元中，语音播放程序首先完成语音地址计算，将语音地址存放在缓冲区中，待全部算完，建立结束标志，然后启动定时器，每隔0.3s输出一个地址信号，完成语音输出，如要播放“欢迎光临”，根据该数据，调用语音地址计算子程序，将“欢”“迎”语音地址存入缓冲区30H和31H中。依次类推，直至结束，再在缓冲区依次间隔0.3s时间取出语音地址，直至遇到结束标志。

 

四、小结

最近一直没有写东西了，三四月份忙着导师的项目、五月份忙着找工作、六月份忙着复习考试（其实明天还有考试，复习烦了遂来写点东西，嘻嘻）。翻来覆去发现还是把这个有趣的汽车倒车雷达的设计同大家分享吧，本部分将倒车雷达电路系统中的语音模块大致讲述了一下，接下来还要对其测距电路进行分析设计（其实以前我已经对超声波测距进行了比较细致的研究啦4个哦：点这看看）。

 

 

链接

[1] 一种倒车防碰撞系统的设计与实现(张安然)：http://pan.baidu.com/s/1dDGrGbR

[2] API8108A的datasheet：http://pan.baidu.com/s/1bn2i7UJ

[3] 简易智能语音模块的设计与实现(李世红)(蒋海潮)：http://pan.baidu.com/s/1o6GFrK2

其他资料（私用）：http://pan.baidu.com/s/1o6HvpJO