基于單片機(jī)的超聲波語音測距拐杖的設(shè)計(jì)

為了方便盲人的安全出行，世界各國一直進(jìn)行著導(dǎo)盲系統(tǒng)的研制。利用超聲波檢測距離，設(shè)計(jì)比較方便，計(jì)算處理也較簡單，其測量精度也能達(dá)到使用要求。目前國內(nèi)生產(chǎn)的帶語音功能的超聲波導(dǎo)盲拐杖存在類似的問題：一方面是語音芯片使用前需預(yù)先錄制，使用不便。另一方面，因?yàn)殇浿普叩牟煌a(chǎn)生語音音質(zhì)的差別容易導(dǎo)致誤聽，需要有統(tǒng)一的語音音質(zhì)。本文采用STC89C52R單片機(jī)，結(jié)合超聲波測距技術(shù)設(shè)計(jì)導(dǎo)盲杖，并通過語音合成芯片SYN6288實(shí)現(xiàn)文本到語音的直接轉(zhuǎn)換，無需預(yù)先錄制，通過外置揚(yáng)聲器提醒盲人前方道路情況，實(shí)現(xiàn)語音導(dǎo)盲功能。

1 工作原理

1.1 超聲波測距原理

超聲波作為一種新型的、非常有用的工具在各方面都有很大的發(fā)展空間，其原理是發(fā)射器發(fā)出的超聲波在空氣中以速度v傳播，在接觸到被測物體時(shí)被反射返回，由接收器接收，其往返時(shí)間為t，由s=wt/2即可算出被測物體的距離。

1.2 TTS語音合成原理

TTS(Text To Speech)文本轉(zhuǎn)換語音技術(shù)是人機(jī)智能對話發(fā)展的趨勢，利用此技術(shù)，通過MCU或者PC機(jī)控制語音芯片發(fā)音，能夠?qū)崿F(xiàn)多種場合下的文字即時(shí)播報(bào)功能。

TTS轉(zhuǎn)換過程是先將文字序列轉(zhuǎn)換成音韻序列，再由系統(tǒng)根據(jù)音韻序列生成語音波形。這個(gè)過程涉及語言學(xué)處理和韻律處理，目前實(shí)現(xiàn)這個(gè)過程較好的途徑是，把基于規(guī)則的波形拼接技術(shù)和參數(shù)語音合成方法結(jié)合起來。

2 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1 硬件設(shè)計(jì)

硬件電路主要由數(shù)據(jù)采集電路、數(shù)據(jù)處理電路、語音合成輸出電路以及系統(tǒng)電源四部分組成，其硬件結(jié)構(gòu)如圖1所示。

數(shù)據(jù)采集電路主要由高性能KS103超聲波測距模塊組成。KS103含溫度補(bǔ)償功能，測量精度高，使用溫度修正的測距命令，近距離內(nèi)最高精度達(dá)1mm;測量盲區(qū)最小至1 cm，最大量程可達(dá)8 m，基本無盲區(qū);使用ⅡC接口與主機(jī)通信，自動(dòng)響應(yīng)主機(jī)的ⅡC控制指令;省電模式：具有自動(dòng)休眠功能，模塊5 s內(nèi)未收到主機(jī)指令自動(dòng)進(jìn)入休眠狀態(tài)，隨時(shí)被主機(jī)ⅡC控制指令喚醒。

數(shù)據(jù)處理電路由單片機(jī)最小系統(tǒng)構(gòu)成，MCU采用51系列單片機(jī)STC89C52RC。該芯片采用40引腳雙列直插封裝(DIP)形式，內(nèi)部由CPU，8 kB的Flash，512 B的RAM，4個(gè)8b的I/O端口：P0、P1、P2、P3，一個(gè)全雙功串行通信口等組成。該最小系統(tǒng)負(fù)責(zé)整個(gè)系統(tǒng)的數(shù)據(jù)處理功能。

語音合成傳輸電路主要由SYN6288模塊和揚(yáng)聲器組成。其中SYN6288負(fù)責(zé)實(shí)現(xiàn)文本到語音的轉(zhuǎn)換(TTS)，揚(yáng)聲器負(fù)責(zé)發(fā)出聲音提示。SYN6288是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的采用PSOLA拼接合成技術(shù)的一款語音合成芯片。SYN6288通過異步串口(UART)通信方式，接收待合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語音(或TTS語音)的轉(zhuǎn)換，可直接通過PWM輸出方式驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器或外接功率放大電路驅(qū)動(dòng)揚(yáng)聲器，進(jìn)行語音輸出，并可以通過讀取BUSY管腳的電平獲取芯片當(dāng)前的狀態(tài)。該芯片支持GB2312等格式的文本，支持標(biāo)點(diǎn)符號、漢字、數(shù)字、英文字母及特殊字符處理，可正確識別數(shù)值、號碼、時(shí)間日期及常用的度量衡符號，具備很強(qiáng)的多音字處理和中文姓氏處理能力。SYN6288模塊引腳示意圖如圖2所示。

系統(tǒng)電源采用的是5 V可充電鋰電池，可以多次反復(fù)使用，節(jié)能環(huán)保?；赟YN6288的超聲波測距拐杖系統(tǒng)的硬件電路圖如圖3所示。

2.2 軟件設(shè)計(jì)

單片機(jī)首先初始化有關(guān)的參數(shù)和相應(yīng)的模塊以及傳感器，包括單片機(jī)串口的設(shè)置、超聲波模塊和SYN6288語音合成模塊。接著單片機(jī)通過IIC總線讀?。篕S103超聲波模塊的值獲得前方障礙物的信息，然后單片機(jī)通過讀取SYN6288的BUSY管腳判斷SYN6288是否正在轉(zhuǎn)換語音，如果是的話則等待，如果不是的話則將前方障礙物信息轉(zhuǎn)換成語音信息，并通過揚(yáng)聲器發(fā)聲，進(jìn)行語音提示。具體程序流程圖如圖4所示。

3 測試分析

經(jīng)過實(shí)驗(yàn)，利用設(shè)計(jì)的基于SYN6288的超聲波語音測距拐杖進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，在0 m～2 m范圍內(nèi)可以有效測量，測試精度1 cm。存在一定的測試誤差主要是由于被測路面不光滑存在超聲波吸收衰減和散射損失以及發(fā)射的超聲波隨目標(biāo)距離的增大而衰減等造成。

4 結(jié)束語

利用SYN6288語音合成芯片設(shè)計(jì)的超聲波語音測距拐杖使用簡單，便于操作。由于采用+5 V鋰電池供電，故移動(dòng)性好，具備語音提示功能，更加人性化。利用高性能KS103超聲波測距模塊，通過溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽鬟f速度予以校正，因此具有較高的測量準(zhǔn)確度。