基于TTS模塊的超聲波障礙物檢測語音播報系統(tǒng)設(shè)計

摘要：介紹一種基于超聲波傳感器和科大訊飛TTS語音模塊的超聲波障礙物距離檢測及語音播報系統(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LCD及語音模塊顯示并播報測量結(jié)果。文中給出了系統(tǒng)的詳細(xì)硬件設(shè)計方案及主要軟件流程圖。本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單，工作穩(wěn)定，操作便利，反應(yīng)速度快并具有智能語音播報功能，可用于盲人導(dǎo)航、機(jī)動車倒車或特定區(qū)域非法侵入檢測等領(lǐng)域。
關(guān)鍵詞：超聲波測距；障礙物檢測；TTS；語音播報；語音合成模塊

    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、距離的測量，如測距儀和物位測量儀等。利用超聲波檢測往往比較方便、迅捷，且在測量精度上也能達(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)的障礙物檢測語音播報系統(tǒng)，為解決障礙物接近距離探測提供了一種可行的簡單方案。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量，并可對超聲波速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，以提高檢測精度。測量結(jié)果將通過LCD顯示，同時通過TTS模塊實(shí)現(xiàn)語音播報功能，可適用于盲人導(dǎo)航、機(jī)動車倒車及非法入侵檢測等應(yīng)用場合。

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

    系統(tǒng)硬件部分由AT89C51單片機(jī)，超聲波距離檢測模塊，DS18B20溫度檢測模塊；1602字符形LCD顯示模塊、科大訊飛的XF—S4240嵌入式中文語音合成模塊，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，控制超聲波信號的生成、發(fā)射及回波檢測，通過檢測回波時延確定障礙物距離。經(jīng)溫度補(bǔ)償后的測距結(jié)果首先通過液晶屏顯示，同時使用SPI接口發(fā)送到XF—S4240模塊實(shí)施語音合成，再經(jīng)LM386實(shí)現(xiàn)音頻信號放大后推動喇叭發(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 超聲波距離檢測模塊及其電路設(shè)計
    ①超聲波距離檢測技術(shù)簡介
    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的目標(biāo)物體阻擋時就會發(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)然后返回聲源的時間可測為t，即可計算出從聲波到目標(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應(yīng)關(guān)系。

    ②超聲波發(fā)送換能器電路設(shè)計
    由單片機(jī)產(chǎn)生40 kHz的方波，經(jīng)U1 CD4049調(diào)理并驅(qū)動后，經(jīng)超聲發(fā)送換能器U2產(chǎn)生所需的超聲波信號，其原理圖如圖3所示。

    ③超聲波接收換能器電路設(shè)計
    超聲波接收換能器的電路前級采用NE5532構(gòu)成高倍放大器U4，對接收信號進(jìn)行放大，后級采用LM311比較器U5對接收信號進(jìn)行調(diào)整，比較電壓可通過可調(diào)電阻VAL1調(diào)整，以適應(yīng)不同的測距范圍，其原理圖如圖4所示。

1．3 DS18B20測溫模塊
    為了滿足本設(shè)計中超聲波速度溫度補(bǔ)償?shù)男枰?，選用DS18B20智能溫度傳感器。
    DS18B20有4個主要的數(shù)據(jù)部件：
    1)光刻ROM：內(nèi)含64位預(yù)刻序列號，可被視作該DS18B20的專有地址，以便實(shí)現(xiàn)在一根總線上掛接多個DS18B20的目的。
    2)溫度傳感器：用于完成12位溫度測量，測量結(jié)果以16位符號擴(kuò)展的二進(jìn)制補(bǔ)碼形式存儲。
    3)內(nèi)部存儲器：包括一個高速暫存RAM和一個非易失性的可電擦除的EEPROM，后者可用于存放高低溫報警閾值。
    4)配置寄存器：其中的TM為測試模式位，用于設(shè)置DS18B20進(jìn)入工作模式還足測試模式。
    根據(jù)DS18B20的通訊協(xié)議，主機(jī)(單片機(jī))控制DS18B20完成溫度轉(zhuǎn)換必須經(jīng)過三個步驟：每一次讀寫之前都要對DS18B20進(jìn)行復(fù)位操作，復(fù)位成功后發(fā)送一條ROM指令，最后發(fā)送讀寫RAM指令，這樣才能對DS18B20進(jìn)行預(yù)定的操作。
    DS18B20采用單總線方式和單片機(jī)P3．2相連，如圖2所示，單片機(jī)通過單總線接口讀取被測溫度數(shù)據(jù)后，即可通過公式對超聲波的傳輸速度進(jìn)行補(bǔ)償，以獲得更高的測距精度。

1．3 XF-S4240語音合成模塊及其電路設(shè)計
    ①XF-S4240語音合成模塊簡介
    語音合成技術(shù)，簡稱TTS(Text To Speech)技術(shù)，用于解決如何將文字信息轉(zhuǎn)化為聲音信息，從而使得人們獲取信息的方式更加豐富和自然。語音合成技術(shù)在國內(nèi)外發(fā)展迅速，在我國，語音合成技術(shù)的研究也已逐步從理論向研制開發(fā)方面發(fā)展，其應(yīng)用領(lǐng)域十分廣泛，技術(shù)也日趨成熟。目前，在嵌入式應(yīng)用領(lǐng)域，最具代表性的有：科大汛飛XF-S4240和XF-S4041CN及宇音天下的SYN6288。
    本系統(tǒng)中選用的語音合成模塊為科大訊飛的XF—S4240嵌入式中文語音合成模塊。該模塊支持GB2312、GBK、BIG5及UNICODE四種內(nèi)碼格式的中文文本，同時提供英文字母的合成，支持男／女聲發(fā)音，并可靈活地調(diào)節(jié)語速、語調(diào)及音量。
    ②XF—S42401通訊方式
    XF—S4240支持異步串口(UART)、SPI和I2C通訊方式，允許發(fā)送數(shù)據(jù)的最大長度為1K字節(jié)。
    串口通訊模式：波特率：9600 bps(默認(rèn)值)，起始位：1bit，數(shù)據(jù)位：8 bits，停止位：1 bit，校驗(yàn)：無。
    SPI通汛模式：采用4線全雙工同步串行通訊接口，工作在Slave方式，若SPI通訊接口使用SSEL選擇使能信號，則可同時掛接多個設(shè)備。
    I2C通訊模式：采用標(biāo)準(zhǔn)I2C總線接口，工作在Slave方式，在I2C總線上也可同時掛接多個設(shè)備。
    ③XF-S4240控制命令
    XF—S4240提供了多種語音合成控制命令，如：合成命令、停止合成命令、暫停合成命令、恢復(fù)合成命令；通過狀態(tài)查詢命令可查詢當(dāng)前模塊的工作狀態(tài)；而休眠命令則可置模塊于休眠方式以降低功耗。針對上位機(jī)發(fā)出的不同控制命令幀，XF—S4240模塊會向上位機(jī)回送單字節(jié)的反饋信息。此外，通過模塊輸出引腳RDY／BSY的電平變化，借助硬件電路也可識別模塊當(dāng)前的工作狀態(tài)。
    ④語音合成電路設(shè)計
    語音合成系統(tǒng)設(shè)計如圖2所示。語音模塊借助SPI接口與單片機(jī)連接，由硬件RDY引腳指示模塊的工作狀態(tài)，與單片機(jī)的INT1引腳相連。當(dāng)該引腳處于低電平時，表明板卡處于空閑狀態(tài)，可接收進(jìn)一步的命令。音頻功放電路則采用LM368音頻放大器，輸出端可直接驅(qū)動揚(yáng)聲器。
1．4 其它模塊電路設(shè)計
    ①LCD顯示電路
    本設(shè)計中使用一片1602字符形LCD模塊作為系統(tǒng)的顯示輸出，提供操作指示及距離信息的顯示功能，參見圖2。
    ②按鍵接口電路
    本設(shè)計中使用若干按鍵作為系統(tǒng)操作的輸入接口，可供用戶選擇相關(guān)信息進(jìn)行顯示或設(shè)置內(nèi)部信號變換的標(biāo)度參數(shù)，參見圖2。
    ③電源處理電路
    本設(shè)計中電源使用4．2 V鋰電池供電，以方便便攜式應(yīng)用。而XF-S4240還需采用3．3 V供電，為此選用AMS1117—3．3V LDO器件實(shí)現(xiàn)電源變換，因篇幅所限，此部分電路略去。

2 軟件系統(tǒng)設(shè)計
    系統(tǒng)主程序框圖參見圖5。程序首先對單片機(jī)各IO端口、中斷系統(tǒng)、定時器等外部設(shè)備進(jìn)行初始化，隨后進(jìn)人工作循環(huán)。依次周期性通過超聲發(fā)送換能器發(fā)送超聲脈沖信號，并通過超聲接收換能器探測經(jīng)障礙物反射的回波信號，同時通過DS18B20測量環(huán)境溫度，以實(shí)現(xiàn)對超聲傳播速度的實(shí)時補(bǔ)償，從而確定目標(biāo)障礙物距離。之后更新LCD顯示，并將相關(guān)信息送TTS模塊以語音方式播報，最后讀取用戶按鍵信息，完成相關(guān)功能操作。

    語音合成程序的框圖則如圖6所示。單片機(jī)首先判別語音合成模塊是否處于就緒狀態(tài)，若是，則依次發(fā)送幀頭、字節(jié)總數(shù)、語音合成命令碼、語音合成格式控制碼及待合成文本，語音模塊將隨后依所設(shè)命令完成TTS轉(zhuǎn)換。

3 結(jié)束語
    本系統(tǒng)將超聲波傳感器、智能TTS語音合成功能有機(jī)結(jié)合，為非接觸式距離測量及相關(guān)應(yīng)用提供了一種新的模式。系統(tǒng)價格適中、結(jié)構(gòu)緊湊，功能強(qiáng)大，有著良好的實(shí)用價值。文中對系統(tǒng)各個部分的硬件電路和軟件實(shí)現(xiàn)進(jìn)行了詳述，本系統(tǒng)的設(shè)計思想及技巧還可為其它相關(guān)產(chǎn)品的設(shè)計制作提供借鑒。