基于TTS模塊的超聲波障礙物檢測語音播報系統設計

摘要：介紹一種基于超聲波傳感器和科大訊飛TTS語音模塊的超聲波障礙物距離檢測及語音播報系統。系統首先利用單片機控制超聲收發換能器探測目標障礙物信息，再經溫度補償后確定與目標障礙物距離，其后通過LCD及語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。本系統結構簡單，工作穩定，操作便利，反應速度快并具有智能語音播報功能，可用于盲人導航、機動車倒車或特定區域非法侵入檢測等領域。
關鍵詞：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。由于指向性強，能量消耗緩慢，傳播距離較遠，超聲波經常被應用于位置、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到實用的要求，因此在各種領域得到廣泛的應用。
本文給出一種基于超聲波傳感器技術的障礙物檢測語音播報系統，為解決障礙物接近距離探測提供了一種可行的簡單方案。本方案利用超聲換能器基于脈沖回波法實現障礙物距離的非接觸式測量，并可對超聲波速度進行溫度補償，以提高檢測精度。測量結果將通過LCD顯示，同時通過TTS模塊實現語音播報功能，可適用于盲人導航、機動車倒車及非法入侵檢測等應用場合。

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、發射及回波檢測，通過檢測回波時延確定障礙物距離。經溫度補償后的測距結果首先通過液晶屏顯示，同時使用SPI接口發送到XF—S4240模塊實施語音合成，再經LM386實現音頻信號放大后推動喇叭發音；LDO芯片AMS1117則用于實現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簡介
發送超聲換能器產生的超聲波在空氣中傳播，當超聲波受到尺寸大于其波長的目標物體阻擋時就會發生反射，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，表1給出了超聲波傳播速度與溫度的部分對應關系。