基于单片机的超声波语音测距拐杖的设计

我国听力语言残疾居视力残疾、肢残、智残等五大残疾之首，为2 057万人，占中国人口总数的1.67%。在发达国家，大多数盲人都有配备导盲犬，然而在中国，导盲犬数量严重不足，如何改善盲人的出行条件是一件很重要的工作。

为了方便盲人的安全出行，世界各国一直进行着导盲系统的研制。利用超声波检测距离，设计比较方便，计算处理也较简单，其测量精度也能达到使用要求。目前国内生产的带语音功能的超声波导盲拐杖存在类似的问题：一方面是语音芯片使用前需预先录制，使用不便。另一方面，因为录制者的不同而产生语音音质的差别容易导致误听，需要有统一的语音音质。本文采用STC89C52R单片机，结合超声波测距技术设计导盲杖，并通过语音合成芯片SYN6288实现文本到语音的直接转换，无需预先录制，通过外置扬声器提醒盲人前方道路情况，实现语音导盲功能。

1 工作原理

1.1 超声波测距原理

超声波作为一种新型的、非常有用的工具在各方面都有很大的发展空间，其原理是发射器发出的超声波在空气中以速度v传播，在接触到被测物体时被反射返回，由接收器接收，其往返时间为t，由s=wt/2即可算出被测物体的距离。

1.2 TTS语音合成原理

TTS(Text To Speech)文本转换语音技术是人机智能对话发展的趋势，利用此技术，通过MCU或者PC机控制语音芯片发音，能够实现多种场合下的文字即时播报功能。

TTS转换过程是先将文字序列转换成音韵序列，再由系统根据音韵序列生成语音波形。这个过程涉及语言学处理和韵律处理，目前实现这个过程较好的途径是，把基于规则的波形拼接技术和参数语音合成方法结合起来。

2 系统设计

2.1 硬件设计

硬件电路主要由数据采集电路、数据处理电路、语音合成输出电路以及系统电源四部分组成，其硬件结构如图1所示。

数据采集电路主要由高性能KS103超声波测距模块组成。KS103含温度补偿功能，测量精度高，使用温度修正的测距命令，近距离内最高精度达1mm;测量盲区最小至1 cm，最大量程可达8 m，基本无盲区;使用ⅡC接口与主机通信，自动响应主机的ⅡC控制指令;省电模式：具有自动休眠功能，模块5 s内未收到主机指令自动进入休眠状态，随时被主机ⅡC控制指令唤醒。

数据处理电路由单片机最小系统构成，MCU采用51系列单片机STC89C52RC。该芯片采用40引脚双列直插封装(DIP)形式，内部由CPU，8 kB的Flash，512 B的RAM，4个8b的I/O端口：P0、P1、P2、P3，一个全双功串行通信口等组成。该最小系统负责整个系统的数据处理功能。

语音合成传输电路主要由SYN6288模块和扬声器组成。其中SYN6288负责实现文本到语音的转换(TTS)，扬声器负责发出声音提示。SYN6288是北京宇音天下科技有限公司于2010年初推出的采用PSOLA拼接合成技术的一款语音合成芯片。SYN6288通过异步串口(UART)通信方式，接收待合成的文本数据，实现文本到语音(或TTS语音)的转换，可直接通过PWM输出方式驱动扬声器或外接功率放大电路驱动扬声器，进行语音输出，并可以通过读取BUSY管脚的电平获取芯片当前的状态。该芯片支持GB2312等格式的文本，支持标点符号、汉字、数字、英文字母及特殊字符处理，可正确识别数值、号码、时间日期及常用的度量衡符号，具备很强的多音字处理和中文姓氏处理能力。SYN6288模块引脚示意图如图2所示。

系统电源采用的是5 V可充电锂电池，可以多次反复使用，节能环保。基于SYN6288的超声波测距拐杖系统的硬件电路图如图3所示。

2.2 软件设计

单片机首先初始化有关的参数和相应的模块以及传感器，包括单片机串口的设置、超声波模块和SYN6288语音合成模块。接着单片机通过IIC总线读取：KS103超声波模块的值获得前方障碍物的信息，然后单片机通过读取SYN6288的BUSY管脚判断SYN6288是否正在转换语音，如果是的话则等待，如果不是的话则将前方障碍物信息转换成语音信息，并通过扬声器发声，进行语音提示。具体程序流程图如图4所示。

3 测试分析

经过实验，利用设计的基于SYN6288的超声波语音测距拐杖进行了实验，在0 m～2 m范围内可以有效测量，测试精度1 cm。存在一定的测试误差主要是由于被测路面不光滑存在超声波吸收衰减和散射损失以及发射的超声波随目标距离的增大而衰减等造成。

4 结束语

利用SYN6288语音合成芯片设计的超声波语音测距拐杖使用简单，便于操作。由于采用+5 V锂电池供电，故移动性好，具备语音提示功能，更加人性化。利用高性能KS103超声波测距模块，通过温度补偿的方法对传递速度予以校正，因此具有较高的测量准确度。