基于單片機(jī)的超聲波語(yǔ)音測(cè)距拐杖的設(shè)計(jì)

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

1 工作原理

1.1 超聲波測(cè)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(cè)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(cè)物體的距離。

1.2 TTS語(yǔ)音合成原理

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

TTS轉(zhuǎn)換過(guò)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(yǔ)音波形。這個(gè)過(guò)程涉及語(yǔ)言學(xué)處理和韻律處理，目前實(shí)現(xiàn)這個(gè)過(guò)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(yǔ)音合成方法結(jié)合起來(lái)。

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(yǔ)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(cè)距模塊組成。KS103含溫度補(bǔ)償功能，測(cè)量精度高，使用溫度修正的測(cè)距命令，近距離內(nèi)最高精度達(dá)1mm;測(cè)量盲區(qū)最小至1 cm，最大量程可達(dá)8 m，基本無(wú)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(yǔ)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(yǔ)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(yǔ)音合成芯片。SYN6288通過(guò)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(yǔ)音(或TTS語(yǔ)音)的轉(zhuǎn)換，可直接通過(guò)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(yǔ)音輸出，并可以通過(guò)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(hào)、漢字、數(shù)字、英文字母及特殊字符處理，可正確識(shí)別數(shù)值、號(hào)碼、時(shí)間日期及常用的度量衡符號(hào)，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。基于SYN6288的超聲波測(cè)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(yǔ)音合成模塊。接著單片機(jī)通過(guò)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(guò)讀取SYN6288的BUSY管腳判斷SYN6288是否正在轉(zhuǎn)換語(yǔ)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(yǔ)音信息，并通過(guò)揚(yáng)聲器發(fā)聲，進(jìn)行語(yǔ)音提示。具體程序流程圖如圖4所示。

3 測(cè)試分析

經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)，利用設(shè)計(jì)的基于SYN6288的超聲波語(yǔ)音測(cè)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(cè)量，測(cè)試精度1 cm。存在一定的測(cè)試誤差主要是由于被測(cè)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(yǔ)

利用SYN6288語(yǔ)音合成芯片設(shè)計(jì)的超聲波語(yǔ)音測(cè)距拐杖使用簡(jiǎn)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(yǔ)音提示功能，更加人性化。利用高性能KS103超聲波測(cè)距模塊，通過(guò)溫度補(bǔ)償?shù)姆椒▽?duì)傳遞速度予以校正，因此具有較高的測(cè)量準(zhǔn)確度。