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【摘要】本文在超声波测距的原理提出了一种导盲眼镜的设计方法。该设计以51单片机为主控核心，将超声波测距后的距离等信息通过语音合成技术实时播报出来。该系统在调整校正后有效距离可达4m以上，精度为2cm。有效地解决了盲人安全行走的问题。
【关键词】超声波;测距;语音合成技术
一、背景及意义
中国是全世界盲人最多的国家之一，目前我国眼部残疾人士多达600万，占世界眼疾人数的18%。眼部疾病在中国也是一个主要的公共卫生问题。由于生理上的缺陷，盲人在生活、工作等方面有着诸多不便。在当今人体可穿戴设备快速发展下，如何设计出盲人可穿戴设备对盲人和社会具有十分重要的意义。
二、超声波测距的实现
（一）超声波测距原理
超声波是一种振动频率高于20 kHz的机械波。目前超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种[1]。本设计采用超声脉冲回波渡越时间法。超声波传感器在发射超声波时开始计时，当途中遇到障碍物时立即回传，接收器接收到反射波时停止计时。设超声波脉冲由传感器发出到接受所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为340m/s，则传感器到目标的距离S=340*t/2m。这就是渡越时间法的测量原理。
图1 超声波测距原理框图
（二）超声波测距的误差分析
根据超声波测距公式s=c×t，主要分为以下两个方面的误差：
1.时间误差
当要求测距误差小于1mm时，已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。测距误差△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs[2]。
从而可知在超声波传播速度准确的前提下当要求误差在毫米级时，时间差在微米级。由于89C51单片机的晶振频率为11.1592MHz，因此使得单片机能达到微米级的精度，从而确保误差在1mm之内。
2.超声波传播速度误差
超声波传播受环境温度影响比较明显。温度为0℃时超声波速度是344m/s，30℃时达到349m/s。一般温度每升高一度，传播速度大约增加0.6m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5cm。解决温度带来的影响一般采用温度补偿法[3]。由于本设计要求测量距离在5m之内，因此综合考虑可以忽略这种误差。
三、硬件电路的设计
（一）超声波发射电路
超声波发射电路由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计由单片机产生40KHz的方波，选用74LS04芯片进行信号放大（见图2）。
（二）超声波接收电路
由于超声波在空气中的传播过程中会发生衰减，如果距离较远，那么接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，此时单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。
CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载;而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。
图3 超声波接收电路图
（三）语音合成模块
此模块电路采用SYN6658语音合成芯片。SYN6658通过UART接口或SPI接口通讯方式，接受带合成的文本数据，实现文本到语音的转换。具有清晰、自然、准确的中文语音合成效果。可采用GB2312、GBK、BIG5和Unicode四种编码方式[4]。
图4 语音合成模块电路图
主控制器和SYN6658语音合成芯片之间通过UART接口或SPI接口连接，控制器可通过通讯接口向SYN6658语音合成芯片发送控制命令和文本，SYN6658语音合成芯片把接收到的文本合成为语音信号输出，输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放（见图4）。
四、软件设计
主程序对整个单片机系统进行初始化后，单片机提供一个10us以上的脉冲触发信号来触发超声波发射电路，同时将定时器T0启动，在接收到超声波信号后关闭定时器，根据根据时间差计算出距离，然后调用语音播放程序，根据实际距离来选择播报不同的信息。
图5 总系统流程图 图6 语音播放流程图
部分程序：
#include <AT89x51.H>
#include <intrins.h>
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、結语
本系统经过多次试验，测试所得结果与设计要求基本一致。该超声波测距的导盲设计有效距离可达到3.8m，测量精度为2.0cm，同时可以实时地通过语音模块播报提示，具有很好的导航功能，能够能够满足盲人导航器的设计要求，为盲人安全行走提供了保障。
参考文献
[1]时德钢，刘晔，王峰，韦兆碧，王采堂.超声波精确测距的研究[J].计算机测量与控制，2002，10（7）.
[2]纪良文，蒋静坪.机器人超声测距数据的采集与处理[J].电子技术应用，2006.
[3]白顺先.超声波测距系统的设计与实现[J].高校理科研究，2000（08）.
[4]SYN6588中文语音合成芯片数据手册[Z].北京：北京宇音天下科技有限公司，2012.
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（教高司函[2013]102号）。
作者简介：石伟（1991—），男，山东临沂人，大学本科，现就读于曲阜师范大学信息科学与工程学院，研究方向：电子信息科学与技术。
【关键词】超声波;测距;语音合成技术
一、背景及意义
中国是全世界盲人最多的国家之一，目前我国眼部残疾人士多达600万，占世界眼疾人数的18%。眼部疾病在中国也是一个主要的公共卫生问题。由于生理上的缺陷，盲人在生活、工作等方面有着诸多不便。在当今人体可穿戴设备快速发展下，如何设计出盲人可穿戴设备对盲人和社会具有十分重要的意义。
二、超声波测距的实现
（一）超声波测距原理
超声波是一种振动频率高于20 kHz的机械波。目前超声波测距方法主要有相位检测法、声波幅值检测法和渡越时间法三种[1]。本设计采用超声脉冲回波渡越时间法。超声波传感器在发射超声波时开始计时，当途中遇到障碍物时立即回传，接收器接收到反射波时停止计时。设超声波脉冲由传感器发出到接受所经历的时间为t，超声波在空气中的传播速度为340m/s，则传感器到目标的距离S=340*t/2m。这就是渡越时间法的测量原理。
图1 超声波测距原理框图
（二）超声波测距的误差分析
根据超声波测距公式s=c×t，主要分为以下两个方面的误差：
1.时间误差
当要求测距误差小于1mm时，已知超声波速度C=344m/s（20℃室温），忽略声速的传播误差。测距误差△t<（0.001/344）≈0.000002907s即2.907μs[2]。
从而可知在超声波传播速度准确的前提下当要求误差在毫米级时，时间差在微米级。由于89C51单片机的晶振频率为11.1592MHz，因此使得单片机能达到微米级的精度，从而确保误差在1mm之内。
2.超声波传播速度误差
超声波传播受环境温度影响比较明显。温度为0℃时超声波速度是344m/s，30℃时达到349m/s。一般温度每升高一度，传播速度大约增加0.6m/s。若超声波在30℃的环境下以0℃的声速测量100m距离所引起的测量误差将达到5m，测量1m误差将达到5cm。解决温度带来的影响一般采用温度补偿法[3]。由于本设计要求测量距离在5m之内，因此综合考虑可以忽略这种误差。
三、硬件电路的设计
（一）超声波发射电路
超声波发射电路由超声波探头和超声波放大器组成。超声波探头将电信号转换为机械波发射出去，而单片机所产生的40 kHz的方波脉冲需要进行放大才能将超声波探头驱动将超声波发射出去，所以发射驱动实际上就是一个信号的放大电路，本设计由单片机产生40KHz的方波，选用74LS04芯片进行信号放大（见图2）。
（二）超声波接收电路
由于超声波在空气中的传播过程中会发生衰减，如果距离较远，那么接收到的超声波信号就会比较微弱，因此需要对接收到的信号进行放大。超声波接收电路主要是由集成电路CX20106A芯片电路构成的，CX20106A芯片电路可以对超声波信号进行放大、限幅、带通滤波、峰值检波、整形、比较等功能，比较完之后超声波接收电路会输出一个低电平到单片机去请求中断，此时单片机停止计时，并开始去进行数据的处理。
CX20106A芯片的前置放大器具有自动增益控制的功能，当测量的距离比较近时，放大器不会过载;而当测量距离比较远时，超声波信号微弱，前置放大器就有较大的放大增益效果。CX20106A芯片的5脚在外接电阻对它的带通滤波器的频率进行调节，而且不用再外接其他的电感，能够很好地避免外加磁场对芯片电路的干扰，而且它的可靠性也是比较高的。CX20106A芯片电路本身就具有很高的抗干扰的能力，而且灵敏度也比较高，所以，能满足本设计的要求。
图3 超声波接收电路图
（三）语音合成模块
此模块电路采用SYN6658语音合成芯片。SYN6658通过UART接口或SPI接口通讯方式，接受带合成的文本数据，实现文本到语音的转换。具有清晰、自然、准确的中文语音合成效果。可采用GB2312、GBK、BIG5和Unicode四种编码方式[4]。
图4 语音合成模块电路图
主控制器和SYN6658语音合成芯片之间通过UART接口或SPI接口连接，控制器可通过通讯接口向SYN6658语音合成芯片发送控制命令和文本，SYN6658语音合成芯片把接收到的文本合成为语音信号输出，输出的信号经功率放大器进行放大后连接到喇叭进行播放（见图4）。
四、软件设计
主程序对整个单片机系统进行初始化后，单片机提供一个10us以上的脉冲触发信号来触发超声波发射电路，同时将定时器T0启动，在接收到超声波信号后关闭定时器，根据根据时间差计算出距离，然后调用语音播放程序，根据实际距离来选择播报不同的信息。
图5 总系统流程图 图6 语音播放流程图
部分程序：
#include <AT89x51.H>
#include <intrins.h>
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、結语
本系统经过多次试验，测试所得结果与设计要求基本一致。该超声波测距的导盲设计有效距离可达到3.8m，测量精度为2.0cm，同时可以实时地通过语音模块播报提示，具有很好的导航功能，能够能够满足盲人导航器的设计要求，为盲人安全行走提供了保障。
参考文献
[1]时德钢，刘晔，王峰，韦兆碧，王采堂.超声波精确测距的研究[J].计算机测量与控制，2002，10（7）.
[2]纪良文，蒋静坪.机器人超声测距数据的采集与处理[J].电子技术应用，2006.
[3]白顺先.超声波测距系统的设计与实现[J].高校理科研究，2000（08）.
[4]SYN6588中文语音合成芯片数据手册[Z].北京：北京宇音天下科技有限公司，2012.
基金项目：国家级大学生创新创业训练计划项目（教高司函[2013]102号）。
作者简介：石伟（1991—），男，山东临沂人，大学本科，现就读于曲阜师范大学信息科学与工程学院，研究方向：电子信息科学与技术。