基于TTS模塊的超聲波障礙物檢測語(yǔ)音播報系統設計

摘要：介紹一種基于超聲波傳感器和科大訊飛TTS語(yǔ)音模塊的超聲波障礙物距離檢測及語(yǔ)音播報系統。系統首先利用單片機控制超聲收發(fā)換能器探測目標障礙物信息，再經(jīng)溫度補償后確定與目標障礙物距離，其后通過(guò)LCD及語(yǔ)音模塊顯示并播報測量結果。文中給出了系統的詳細硬件設計方案及主要軟件流程圖。本系統結構簡(jiǎn)單，工作穩定，操作便利，反應速度快并具有智能語(yǔ)音播報功能，可用于盲人導航、機動(dòng)車(chē)倒車(chē)或特定區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(yǔ)音播報；語(yǔ)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(xiàn)傳播能力，頻率越高繞射能力越弱，而反射能力越強。由于指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠，超聲波經(jīng)常被應用于位置、距離的測量，如測距儀和物位測量?jì)x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到實(shí)用的要求，因此在各種領(lǐng)域得到廣泛的應用。
本文給出一種基于超聲波傳感器技術(shù)的障礙物檢測語(yǔ)音播報系統，為解決障礙物接近距離探測提供了一種可行的簡(jiǎn)單方案。本方案利用超聲換能器基于脈沖回波法實(shí)現障礙物距離的非接觸式測量，并可對超聲波速度進(jìn)行溫度補償，以提高檢測精度。測量結果將通過(guò)LCD顯示，同時(shí)通過(guò)TTS模塊實(shí)現語(yǔ)音播報功能，可適用于盲人導航、機動(dòng)車(chē)倒車(chē)及非法入侵檢測等應用場(chǎng)合。

1 硬件系統設計
1．1 系統總體結構
超聲波障礙物檢測語(yǔ)音播報系統硬件電路如下圖1所示。主要包括單片機控制模塊、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(yǔ)音合成模塊、電源模塊等。

系統硬件部分由AT89C51單片機，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(yǔ)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(guò)檢測回波時(shí)延確定障礙物距離。經(jīng)溫度補償后的測距結果首先通過(guò)液晶屏顯示，同時(shí)使用SPI接口發(fā)送到XF—S4240模塊實(shí)施語(yǔ)音合成，再經(jīng)LM386實(shí)現音頻信號放大后推動(dòng)喇叭發(fā)音；LDO芯片AMS1117則用于實(shí)現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計
①超聲波距離檢測技術(shù)簡(jiǎn)介
發(fā)送超聲換能器產(chǎn)生的超聲波在空氣中傳播，當超聲波受到尺寸大于其波長(cháng)的目標物體阻擋時(shí)就會(huì )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，且聲波從聲源到達目標然后返回聲源的時(shí)間可測為t，即可計算出從聲波到目標的距離d為
d=v·t／2 (1)
此為本系統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張的彈性模量，其反抗壓縮變化力的作用結果，實(shí)現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。
而理想氣體的壓強

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關(guān)系。