基于TTS模塊的超聲波障礙物檢測(cè)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)設(shè)計(jì)

摘要：介紹一種基于超聲波傳感器和科大訊飛TTS語(yǔ)音模塊的超聲波障礙物距離檢測(cè)及語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)。系統(tǒng)首先利用單片機(jī)控制超聲收發(fā)換能器探測(cè)目標(biāo)障礙物信息，再經(jīng)溫度補(bǔ)償后確定與目標(biāo)障礙物距離，其后通過(guò)LCD及語(yǔ)音模塊顯示并播報(bào)測(cè)量結(jié)果。文中給出了系統(tǒng)的詳細(xì)硬件設(shè)計(jì)方案及主要軟件流程圖。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，工作穩(wěn)定，操作便利，反應(yīng)速度快并具有智能語(yǔ)音播報(bào)功能，可用于盲人導(dǎo)航、機(jī)動(dòng)車倒車或特定區(qū)域非法侵入檢測(cè)等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：超聲波測(cè)距；障礙物檢測(cè)；TTS；語(yǔ)音播報(bào)；語(yǔ)音合成模塊

超聲波是一種頻率為20 kHz以上的聲波，具有直線傳播能力，頻率越高繞射能力越弱，而反射能力越強(qiáng)。由于指向性強(qiáng)，能量消耗緩慢，傳播距離較遠(yuǎn)，超聲波經(jīng)常被應(yīng)用于位置、距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等。利用超聲波檢測(cè)往往比較方便、迅捷，且在測(cè)量精度上也能達(dá)到實(shí)用的要求，因此在各種領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用。
本文給出一種基于超聲波傳感器技術(shù)的障礙物檢測(cè)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)，為解決障礙物接近距離探測(cè)提供了一種可行的簡(jiǎn)單方案。本方案利用超聲換能器基于脈沖回波法實(shí)現(xiàn)障礙物距離的非接觸式測(cè)量，并可對(duì)超聲波速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高檢測(cè)精度。測(cè)量結(jié)果將通過(guò)LCD顯示，同時(shí)通過(guò)TTS模塊實(shí)現(xiàn)語(yǔ)音播報(bào)功能，可適用于盲人導(dǎo)航、機(jī)動(dòng)車倒車及非法入侵檢測(cè)等應(yīng)用場(chǎng)合。

1 硬件系統(tǒng)設(shè)計(jì)
1．1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)
超聲波障礙物檢測(cè)語(yǔ)音播報(bào)系統(tǒng)硬件電路如下圖1所示。主要包括單片機(jī)控制模塊、超聲波距離檢測(cè)模塊、溫度測(cè)量模塊、按鍵模塊、LCD顯示模塊、語(yǔ)音合成模塊、電源模塊等。

系統(tǒng)硬件部分由AT89C51單片機(jī)，超聲波距離檢測(cè)模塊，DS18B20溫度檢測(cè)模塊；1602字符形LCD顯示模塊、科大訊飛的XF—S4240嵌入式中文語(yǔ)音合成模塊，LM386音頻放大器，放音喇叭，4．2 V／3．3 V電源變換模塊等組成。單片機(jī)作為主控芯片，控制超聲波信號(hào)的生成、發(fā)射及回波檢測(cè)，通過(guò)檢測(cè)回波時(shí)延確定障礙物距離。經(jīng)溫度補(bǔ)償后的測(cè)距結(jié)果首先通過(guò)液晶屏顯示，同時(shí)使用SPI接口發(fā)送到XF—S4240模塊實(shí)施語(yǔ)音合成，再經(jīng)LM386實(shí)現(xiàn)音頻信號(hào)放大后推動(dòng)喇叭發(fā)音；LDO芯片AMS1117則用于實(shí)現(xiàn)4．2 V到3.3 V的電源變換，為XF—S4240提供所需的工作電源
1．2 超聲波距離檢測(cè)模塊及其電路設(shè)計(jì)
①超聲波距離檢測(cè)技術(shù)簡(jiǎn)介
發(fā)送超聲換能器產(chǎn)生的超聲波在空氣中傳播，當(dāng)超聲波受到尺寸大于其波長(zhǎng)的目標(biāo)物體阻擋時(shí)就會(huì)發(fā)生反射，反射波將由接收超聲換能器接收。若已知聲波在介質(zhì)中的傳播速度v，且聲波從聲源到達(dá)目標(biāo)然后返回聲源的時(shí)間可測(cè)為t，即可計(jì)算出從聲波到目標(biāo)的距離d為
d=v·t／2 (1)
此為本系統(tǒng)所采用的脈沖回波法測(cè)距的基本原理。
超聲波在空氣中以縱波方式傳播，由于氣體具有反抗壓縮和擴(kuò)張的彈性模量，其反抗壓縮變化力的作用結(jié)果，實(shí)現(xiàn)了超聲波在空氣中傳播。因此，超聲波的傳播速度受氣體的密度、溫度及氣體分子成分的影響，即：

式中：E為氣體的彈性模量，ρ為氣體的密度。而理想氣體的彈性模量為
E=λ·P (3)
式中：λ為氣體定壓熱容與定容熱容的比值，空氣中λ=1．40；P為氣體的壓強(qiáng)。
而理想氣體的壓強(qiáng)

式中：R=8．314 kg／mol，T、M、V、μ分別為氣體的溫度、質(zhì)量、體積及分子量，空氣的分子量μ=28．8×10-3 kg／mol。則有

由式(5)可知，超聲在空氣中的傳播速度與空氣的溫度密切相關(guān)，表1給出了超聲波傳播速度與溫度的部分對(duì)應(yīng)關(guān)系。