盲人可穿戴設(shè)備

石偉 楊子龍 朱高陽(yáng)

【摘要】本文在超聲波測(cè)距的原理提出了一種導(dǎo)盲眼鏡的設(shè)計(jì)方法。該設(shè)計(jì)以51單片機(jī)為主控核心，將超聲波測(cè)距后的距離等信息通過(guò)語(yǔ)音合成技術(shù)實(shí)時(shí)播報(bào)出來(lái)。該系統(tǒng)在調(diào)整校正后有效距離可達(dá)4m以上，精度為2cm。有效地解決了盲人安全行走的問(wèn)題。

【關(guān)鍵詞】超聲波;測(cè)距;語(yǔ)音合成技術(shù)

一、背景及意義

中國(guó)是全世界盲人最多的國(guó)家之一，目前我國(guó)眼部殘疾人士多達(dá)600萬(wàn)，占世界眼疾人數(shù)的18%。眼部疾病在中國(guó)也是一個(gè)主要的公共衛(wèi)生問(wèn)題。由于生理上的缺陷，盲人在生活、工作等方面有著諸多不便。在當(dāng)今人體可穿戴設(shè)備快速發(fā)展下，如何設(shè)計(jì)出盲人可穿戴設(shè)備對(duì)盲人和社會(huì)具有十分重要的意義。

二、超聲波測(cè)距的實(shí)現(xiàn)

（一）超聲波測(cè)距原理

超聲波是一種振動(dòng)頻率高于20 kHz的機(jī)械波。目前超聲波測(cè)距方法主要有相位檢測(cè)法、聲波幅值檢測(cè)法和渡越時(shí)間法三種[1]。本設(shè)計(jì)采用超聲脈沖回波渡越時(shí)間法。超聲波傳感器在發(fā)射超聲波時(shí)開始計(jì)時(shí)，當(dāng)途中遇到障礙物時(shí)立即回傳，接收器接收到反射波時(shí)停止計(jì)時(shí)。設(shè)超聲波脈沖由傳感器發(fā)出到接受所經(jīng)歷的時(shí)間為t，超聲波在空氣中的傳播速度為340m/s，則傳感器到目標(biāo)的距離S=340*t/2m。這就是渡越時(shí)間法的測(cè)量原理。

圖1 超聲波測(cè)距原理框圖

（二）超聲波測(cè)距的誤差分析

根據(jù)超聲波測(cè)距公式s=c×t，主要分為以下兩個(gè)方面的誤差：

1.時(shí)間誤差

當(dāng)要求測(cè)距誤差小于1mm時(shí)，已知超聲波速度C=344m/s（20℃室溫），忽略聲速的傳播誤差。測(cè)距誤差△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs[2]。

從而可知在超聲波傳播速度準(zhǔn)確的前提下當(dāng)要求誤差在毫米級(jí)時(shí)，時(shí)間差在微米級(jí)。由于89C51單片機(jī)的晶振頻率為11.1592MHz，因此使得單片機(jī)能達(dá)到微米級(jí)的精度，從而確保誤差在1mm之內(nèi)。

2.超聲波傳播速度誤差

超聲波傳播受環(huán)境溫度影響比較明顯。溫度為0℃時(shí)超聲波速度是344m/s，30℃時(shí)達(dá)到349m/s。一般溫度每升高一度，傳播速度大約增加0.6m/s。若超聲波在30℃的環(huán)境下以0℃的聲速測(cè)量100m距離所引起的測(cè)量誤差將達(dá)到5m，測(cè)量1m誤差將達(dá)到5cm。解決溫度帶來(lái)的影響一般采用溫度補(bǔ)償法[3]。由于本設(shè)計(jì)要求測(cè)量距離在5m之內(nèi)，因此綜合考慮可以忽略這種誤差。

三、硬件電路的設(shè)計(jì)

（一）超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路由超聲波探頭和超聲波放大器組成。超聲波探頭將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械波發(fā)射出去，而單片機(jī)所產(chǎn)生的40 kHz的方波脈沖需要進(jìn)行放大才能將超聲波探頭驅(qū)動(dòng)將超聲波發(fā)射出去，所以發(fā)射驅(qū)動(dòng)實(shí)際上就是一個(gè)信號(hào)的放大電路，本設(shè)計(jì)由單片機(jī)產(chǎn)生40KHz的方波，選用74LS04芯片進(jìn)行信號(hào)放大（見圖2）。

（二）超聲波接收電路

由于超聲波在空氣中的傳播過(guò)程中會(huì)發(fā)生衰減，如果距離較遠(yuǎn)，那么接收到的超聲波信號(hào)就會(huì)比較微弱，因此需要對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大。超聲波接收電路主要是由集成電路CX20106A芯片電路構(gòu)成的，CX20106A芯片電路可以對(duì)超聲波信號(hào)進(jìn)行放大、限幅、帶通濾波、峰值檢波、整形、比較等功能，比較完之后超聲波接收電路會(huì)輸出一個(gè)低電平到單片機(jī)去請(qǐng)求中斷，此時(shí)單片機(jī)停止計(jì)時(shí)，并開始去進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理。

CX20106A芯片的前置放大器具有自動(dòng)增益控制的功能，當(dāng)測(cè)量的距離比較近時(shí)，放大器不會(huì)過(guò)載;而當(dāng)測(cè)量距離比較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波信號(hào)微弱，前置放大器就有較大的放大增益效果。CX20106A芯片的5腳在外接電阻對(duì)它的帶通濾波器的頻率進(jìn)行調(diào)節(jié)，而且不用再外接其他的電感，能夠很好地避免外加磁場(chǎng)對(duì)芯片電路的干擾，而且它的可靠性也是比較高的。CX20106A芯片電路本身就具有很高的抗干擾的能力，而且靈敏度也比較高，所以，能滿足本設(shè)計(jì)的要求。

圖3 超聲波接收電路圖

（三）語(yǔ)音合成模塊

此模塊電路采用SYN6658語(yǔ)音合成芯片。SYN6658通過(guò)UART接口或SPI接口通訊方式，接受帶合成的文本數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)文本到語(yǔ)音的轉(zhuǎn)換。具有清晰、自然、準(zhǔn)確的中文語(yǔ)音合成效果?？刹捎肎B2312、GBK、BIG5和Unicode四種編碼方式[4]。

圖4 語(yǔ)音合成模塊電路圖

主控制器和SYN6658語(yǔ)音合成芯片之間通過(guò)UART接口或SPI接口連接，控制器可通過(guò)通訊接口向SYN6658語(yǔ)音合成芯片發(fā)送控制命令和文本，SYN6658語(yǔ)音合成芯片把接收到的文本合成為語(yǔ)音信號(hào)輸出，輸出的信號(hào)經(jīng)功率放大器進(jìn)行放大后連接到喇叭進(jìn)行播放（見圖4）。

四、軟件設(shè)計(jì)

主程序?qū)φ麄€(gè)單片機(jī)系統(tǒng)進(jìn)行初始化后，單片機(jī)提供一個(gè)10us以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)來(lái)觸發(fā)超聲波發(fā)射電路，同時(shí)將定時(shí)器T0啟動(dòng)，在接收到超聲波信號(hào)后關(guān)閉定時(shí)器，根據(jù)根據(jù)時(shí)間差計(jì)算出距離，然后調(diào)用語(yǔ)音播放程序，根據(jù)實(shí)際距離來(lái)選擇播報(bào)不同的信息。

圖5 總系統(tǒng)流程圖 ? ? ? ? ? 圖6 語(yǔ)音播放流程圖

部分程序：

#include

#include

void main（void）

{unsigned char TempCyc;

Delay400Ms（）;

LCMInit（）;

Delay5Ms（）;

DisplayListChar（0， 0， mcustudio）;

DisplayListChar（0， 1， email）;

ReadDataLCM（）;

for（TempCyc=0;TempCyc<10;TempCyc++）

Delay400Ms（）;

DisplayListChar（0， 1， Cls）;

while（1）

{

TMOD=0x01;

TH0=0;

TL0=0;

ET0=1;

EA=1;

while（1）

{

StartModule（）;

//DisplayOneChar（0，1，ASCII[0]）;

while（！RX）;

TR0=1;

while（RX）;

TR0=0;

Conut（）;

delayms（80）;

} }}

五、結(jié)語(yǔ)

本系統(tǒng)經(jīng)過(guò)多次試驗(yàn)，測(cè)試所得結(jié)果與設(shè)計(jì)要求基本一致。該超聲波測(cè)距的導(dǎo)盲設(shè)計(jì)有效距離可達(dá)到3.8m，測(cè)量精度為2.0cm，同時(shí)可以實(shí)時(shí)地通過(guò)語(yǔ)音模塊播報(bào)提示，具有很好的導(dǎo)航功能，能夠能夠滿足盲人導(dǎo)航器的設(shè)計(jì)要求，為盲人安全行走提供了保障。

參考文獻(xiàn)

[1]時(shí)德鋼，劉曄，王峰，韋兆碧，王采堂.超聲波精確測(cè)距的研究[J].計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制，2002，10（7）.

[2]紀(jì)良文，蔣靜坪.機(jī)器人超聲測(cè)距數(shù)據(jù)的采集與處理[J].電子技術(shù)應(yīng)用，2006.

[3]白順先.超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].高校理科研究，2000（08）.

[4]SYN6588中文語(yǔ)音合成芯片數(shù)據(jù)手冊(cè)[Z].北京：北京宇音天下科技有限公司，2012.

基金項(xiàng)目：國(guó)家級(jí)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計(jì)劃項(xiàng)目（教高司函[2013]102號(hào)）。

作者簡(jiǎn)介：石偉（1991—），男，山東臨沂人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于曲阜師范大學(xué)信息科學(xué)與工程學(xué)院，研究方向：電子信息科學(xué)與技術(shù)。