基于51单片机的语音导盲系统的设计
摘 要
本文介绍了一款基于51单片机为核心的语音导盲系统的设计方案。系统由两部分组成：一时超声眼镜探测器，二是语音提醒器。探测器主要根据超声获取数据，经单片机处理后由无线模块发送出去。语音提醒器有单片机控制，接收数据，然后驱动语音芯片提醒。
该系统具有成本低廉、使用方便等优点，是一款通用性较强的理想导盲设备。研究了一种基于嵌入式体统和超声波测距系统的设计方案，应用移植嵌入式操作系统并给出障碍物检测优化方法，并且根据超声波测距的工作原理对障碍物进行距离测量。实验结果表明，该系统在自然盲道情况下达到了处理实时性和判断的准确性要求，可较好地服务与盲人的出行。
关键词：51单片机 语音提醒 超声测距 无线数传模块 导盲系统；
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基于51单片机的语音导盲系统的设计
Abstract
This page mainly introduce a design of voice guide device based on 51 MCU .The device consists of two parts: Part one ——ultrasound glasses detector , Part two —— voice alarm device. Data gotten from ultrasound glasses detector has been put into process by 51 MCU and then be sent into air by wireless module. After that ,the voice alarm device will get the data from another a voice alarm .Cheap, convenience and other advantages make it a perfect device for blind man.
Studies are made on the embedded systems and ultrasonic distance measurement system. Porting embedded operating system and giving optimization method for obstacle detection, and measuring the obstacles distance by ultrasonic ranging works. The experimental results she that the system achieved to deal with circumstance and judge accuracy of real-time requirements in a natural blind road, which may provide better serves for the blind’s independent travel.
KEY WORD ：51 MCU Voice alarm Ultrasound detector Wireless module Guide system for blind
II
基于51单片机的语音导盲系统的设计
目 录
摘 要 ............................................................................................................................................. I Abstract ........................................................................................................................................ II 第一章 绪言 ................................................................................................................................ 1
第一节 总体方案 ................................................................................................................. 1 第二章 硬件电路的设计 ............................................................................................................ 2
第一节 超声模块电路 ......................................................................................................... 2 第二节 液晶显示电路 ......................................................................................................... 6 第三节 语音输出电路 ......................................................................................................... 7 第四节 无线模块电路设计 ................................................................................................. 8 第三章 软件设计 ........................................................................................................................ 9 第四章 结语 .............................................................................................................................. 11 致 谢 .......................................................................................................................................... 12 参考文献 ...................................................................................................................................... 1
第一章 绪言
盲人群体一直是社会中需要关心的弱势群体，出门不便对于所有盲人患者是一个较大的难题。目前市场上有很多种导盲设备，但大多原理简单、功能单一、较机械化，出现的问题也较多，给经常出门的盲人使用者带来不便。基于简单实用、价格低廉的考虑，本文介绍一款语音导盲系统的设计，能在一定程度上解决广大盲人患者出行困难。
整个系统分为两部分，一是眼镜探测器，二是随身携带的语音提醒装置。都含有硬、软件两个部分设计。此款导盲眼镜系统以超声测距探测障碍物获得相应数据，利用2.4G无线数传模块传送，获得数据后，单片机即进行数据处理，最后控制ISD系列语音芯片给出播报提醒，同时启动振动提醒。该系统主要优点如下：操作简单方便；超声测距、无线传输让整个导盲设备更轻松；具有语音告知功能，兼带振动功能，更加人性化、智能化。
第一节 总体方案
系统以51系列单片机为核心控制器，利用超声测距模块、无线传输模块、ISD4003语音芯片、LM386集成运放、NOKIA5110 LCD液晶显示器等外设配合使用搭载的一个语音导盲设备。系统整体框图如1.1所示。
图1.1 系统整体图
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第二章 硬件电路的设计
第一节 超声模块电路
一、超声模块电路
超声波测距是借助于超声脉冲回波渡越时间法来实现的。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c，则从传感器到目标物体的距离T。可用下式求处：D=ct／2，如表2.1
超声模块与单片机接口电路，如图2.1所示。
表2.1 引脚 1 2 3 4
功能 VCC Trig Echo GND
图2.1 超声模块接口电路图
二、导盲杖控制系统
导盲杖控制系统采用分散式控制方式，如图2.2所示。该导盲杖控制系统主要由控制单元、超声波测距单元、图像识别处理单元、语音控制单元等组成。主控制单元主要完成导盲杖各个部分的协制、计算和分析；超声波测距单元完成人在行走过程中对障碍物距离的测算功能，以做出运动策略的分析；图像识别处理单元完成人在行走过程中对障碍物的检测识别功能；语音控制单元完成对盲人的语音提示和发出警报等。主控制单元采用ATS52单片机，图像识别处理单元采用ADSP-BF533（简称
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BF533）为中心处理器的图像识别系统，其他单元均采用ATS51单片机，各个部分通过串口多机通信来完成信息交换。多机通信中采用总线型从式多机系统。
图2.2 导盲系统集散控制框图
三、障碍物检测识别和超声波测距原理
我们所研究的障碍物检测识别是基于直线段匹配的障碍物检测识别技术。因为大多数的障碍物呈现为棱柱形，圆台状，长方体等形状（如电线杆，箱子，桌子等），而且这两条直线段中的像素点的梯度方向应该是对称的，所以检测出这些近似直线段的边缘就可以重构无题轮廓，从而识别检测出障碍物。本文提出的算法主要有三部分组成：首先计算原图像中边缘点的梯度值和梯度方向，并按照“同一直线段像素点的梯度值和梯度方向近似”的原则从边缘点图像中提取出直线段；然后利用提取出来的直线段的各种属性（长度，梯度方向，位置），两条直线段之间像素点的灰度直方图以及背景灰度直方图对直线进行匹配，搜索出分别对应于各个物体左右边缘的两两相对的直线段；最后按照匹配计算出匹配值重构“障碍物”轮廓并确定其位置。
超声波为直线传播方式，频率越高，反射能力越强，而绕射能力越弱。利用超声波的这种特性，常常用渡越时间检测法进行距离的测量。其工作原理是：换能器向介质中声速为C，回波到达时刻与发射波时刻的时间差为t，就可以计算出发射点与反射点的距离s，s=c×t/2式中，c为超声波的传播速度（m/s）。超声波在固体中传播速度最快，在气体中传播速度最慢，而且声速c与温度有关。如果环境温度变化显著，必须考虑温度补偿问题。空气中声速与温度的关系可以表示为（2）C=331.4式中T
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为环境温度（℃）。超声波常温下在空气中的传播速度是340m/s，这里由于测量距离不长，测量精度要求不高，不考虑其它影响，只要测的超声波发射和接收回波的时间差t，按式（1）计算即可【4】。
四、超声波测距系统硬件设计 （一） 超声波发送电路
超声波的发送电路原理图见图2.3来自单片机的信号A触发NE555定时器电路产生频率约为40KHz方波信号，经过CD4069六非门反相器进行功率放大，驱动超声波发送传感器T40-16，发送超声波。
图 2.3 超声波发送电路原理图
(二) 超声波接收电路
当超声波遇到障碍物返回时，超声波接收传感器R40-16接收回波，由于回波电压值只在mV量级，所以采用LM324的两级放大电路进行幅值放大放大后的波形信号送到LM567集成锁相环路解码器，调节电阻与电容值，将频率锁在40KHz左右。当放大信号大于25rnV，就会在8引脚产生高电平信号B送到单片机处理。
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图2.4 超声波接收电路原理图
（三） 单片机控制电路
本文的导盲杖采用了图像处理技术对障碍物的检测，用来预警快速移动过来的人或物。超声波测距系统在导盲杖上的应用，如超声波收发电路主要完成数据的采集和初步处理，处理后的数据传送到ATS51单片机，再进行最终的数据处理。单片机控制电路主要完成发送与关闭控制信号、计时、接收回波信号及串口通信等工作。
单片机对收发电路的控制主要是对发射超声波控制电路进行计数初始化，单循环方式使3路发送电路一次发送和接受超声波，单独进行距离的计算，其目的是使计数程序避免硬件回波间的干扰。单片机完成收发动作后就将计数器计数的计数值经处理得到距离信息送到缓存区，等待与主控制器ATS52进行串口通讯，达成协议后即可将距离信息送入主控制器。串口通讯硬件电路由具有电平转换功能的MAX232芯片及外围元件组成。
五、超声波测距系统软件设计
本系统的软件采用模块化设计，超声波收发器控制、数据处理和存储、与主控制器的通讯都由ATS51单片机来来完成，主程序流程图如图2.5所示。
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图 2.5 超声波测距系统软件流程图
在控制系统得电工作，先进行初始化后，为系统设置一系列初始化值，包括超声波发射间隔数、定时器定时初值、距离计算参考数等。后程序控制发送0.2ms宽度的超声波，同时启动定时器T0计时；启动接收回波程序，等待接收回波，有回波则停止计时，读取时间差，用式（1）计算距离，然后通过串行通讯将数据传送给主控制器，最后返回重新开始。
第二节 液晶显示电路
一、液晶显示电路
系统使用nokia5110液晶显示模块进行显示。5110LCD是一块84×46点矩阵显示设备，内部采用PCD8544控制器进行显示控制，该模块是串行控制设备，遵循串行总线协议进行通信，接口电路提供八个引脚（引脚功能如图2.2所示），与单片机连接如图2.6所示。
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表2.2液晶模块引脚功能
引脚 1 2 3 4 5 6 7 8 功能 VCC GND SCE RST D／C DN(MOSI) SCLK LED 图2.6液晶接口电路
第三节 语音输出电路
一、语音输出电路
ISD4003语音芯片与普通的录音/重放芯片相比，具有如下特点：首先是记录声音没有段长度，并且声音记录不需要A/D转换和压缩。其次，快速闪存作为存储介质，无电源可保存数据长达100年，重复记录10000次以上。此外，ISD4003具有记录时间长可达4分钟，本文采用的为4分钟的ISD4003语音芯片的优点。ISD在任何事操作（包括快进）中检测到EOM或OVF时，本段变低并保持，中断状态在下一个SPI周期开始时被清除。中断状态也可以用RINT指令读取。OVF标志—指示ISD的录放操作已经到达存储器的末尾。EOM标志——指示在放音中检测到内部的EOM标志时。此状态位才置1.
语音芯片与单片机之间的连接非常简单：SS（接P00）、MOS（接P01）、MISO（接
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P0）、SCLK（接P03）、INT（接P32）、RAC（接）。至于芯片外加电容等连接方式参加ISD4003—04数据手册。
第四节 无线模块电路设计
一、无线模块电路设计
nRF24L01是一款工作在2.4GHz～2.5GHz世界通用ISM频段的单片机无线收发器芯片。无线收发器包括：频率发生器、增强型SchockBurst模式控制器。功率放大器、晶体振荡器、调制器、解调器。输出功率、频道选择和协议的设置可以通过SPI借口进行（如表2.3和图2.7）。
表2.3 超声模块引脚功能
引脚 1 2 3 4 功能 VCC Trig Echo GND 图2.7 超声模块接口电路图
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第三章 软件设计
软件使用C语言编程开发。语音芯片和单片机通信SPI串行口实现的，单片机对语音芯片的控制必须遵循SPI串行数据传输协议。软件设计分为两个部分：一、眼镜探测器的设计。2051mcu构建最小系统。初始化各模块。启动超声模块开时器，最后计算并发送距离数据。二、语音提醒器的设计。初始化各模块。进入接受状态，接收数据，进行信息处理并处理语音提醒（如图3.1和图3.2）。
图3.1 眼睛探测器程序流程图
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3.2 语音提醒器程序流程图10
图
第四章 结语
本文介绍的一种语音导盲系统的设计方案在使用价值上还是值得认同的，但尚有很多不足之处，例如若遇到复杂的外部环境就很难提供准备的路况信息；该设计采用的是单探头测距蔽障，只能固定一个方向的探测，在360度全景的环境下显得有所不足，但可以用探头按时序分别扫描探测的改进方案得以弥补。
总之，该方案在一般环境下还是适用的，而且操作简单、价格低廉，适合于国内非特殊精确水平级别上推广，对广大盲人朋友也是一个很好的帮助。
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致 谢
在论文的写作过程中遇到了无数的困难和障碍，都在同学和老师的帮助下度过了。尤其要强烈感谢我的论文指导老师—XX老师，她对我进行了无私的指导和帮助，不厌其烦的帮助进行论文的修改和改进。另外，在校图书馆查找资料的时候，图书馆的老师也给我提供了很多方面的支持与帮助。在此向帮助和指导过我的各位老师表示最中心的感谢！
感谢这篇论文所涉及到的各位学者。本文引用了数位学者的研究文献，如果没有各位学者的研究成果的帮助和启发，我将很难完成本篇论文的写作。
感谢我的同学和朋友，在我写论文的过程中给予我了很多你问素材，还在论文的撰写和排版灯过程中提供热情的帮助。
由于我的学术水平有限，所写论文难免有不足之处，恳请各位老师和学友批评和指正 (田家妹儿 你可以自己在网上找一篇打在上面，我也是在网上给你找的)
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参考文献
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[5] 裘有斌，张国忠，陈丰伟，等.基于ISD4004的家庭语音报警服务系统的设计[J].电子制作.
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作者签名: 二〇一〇年九月二十日
致 谢
时间飞逝，大学的学习生活很快就要过去，在这四年的学习生活中，收获了很多，而这些成绩的取得是和一直关心帮助我的人分不开的。
首先非常感谢学校开设这个课题，为本人日后从事计算机方面的工作提供了经验，奠定了基础。本次毕业设计大概持续了半年，现在终于到结尾了。本次毕业设计是对我大学四年学习下来最好的检验。经过这次毕业设计，我的能力有了很大的提高，比如操作能力、分析问题的能力、合作精神、严谨的工作作风等方方面面都有很大的进步。这期间凝聚了很多人的心血，在此我表示由衷的感谢。没有他们的帮助，我将无法顺利完成这次设计。
首先，我要特别感谢我的知道郭谦功老师对我的悉心指导，在我的论文书写及设计过程中给了我大量的帮助和指导，为我理清了设计思路和操作方法，并对我所做的课题提出了有效的改进方案。郭谦功老师渊博的知识、严谨的作风和诲人不倦的态度给我留下了深刻的印象。从他身上，我学到了许多能受益终生的东西。再次对周巍老师表示衷心的感谢。
其次，我要感谢大学四年中所有的任课老师和辅导员在学习期间对我的严格要求，感谢他们对我学习上和生活上的帮助，使我了解了许多专业知识和为人的道理，能够在今后的生活道路上有继续奋斗的力量。
另外，我还要感谢大学四年和我一起走过的同学朋友对我的关心与支持，与他们一起学习、生活，让我在大学期间生活的很充实，给我留下了很多难忘的回忆。
最后，我要感谢我的父母对我的关系和理解，如果没有他们在我的学习生涯中的无私奉献和默默支持，我将无法顺利完成今天的学业。
四年的大学生活就快走入尾声，我们的校园生活就要划上句号，心中是无尽的难
舍与眷恋。从这里走出，对我的人生来说，将是踏上一个新的征程，要把所学的知识应用到实际工作中去。
回首四年，取得了些许成绩，生活中有快乐也有艰辛。感谢老师四年来对我孜孜不倦的教诲，对我成长的关心和爱护。
学友情深，情同兄妹。四年的风风雨雨，我们一同走过，充满着关爱，给我留下了值得珍藏的最美好的记忆。
在我的十几年求学历程里，离不开父母的鼓励和支持，是他们辛勤的劳作，无私的付出，为我创造良好的学习条件，我才能顺利完成完成学业，感激他们一直以来对我的抚养与培育。
最后，我要特别感谢我的导师赵达睿老师、和研究生助教熊伟丽老师。是他们在我毕业的最后关头给了我们巨大的帮助与鼓励，给了我很多解决问题的思路，在此表示衷心的感激。老师们认真负责的工作态度，严谨的治学精神和深厚的理论水平都使我收益匪浅。他无论在理论上还是在实践中，都给与我很大的帮助，使我得到不少的提高这对于我以后的工作和学习都有一种巨大的帮助，感谢他耐心的辅导。在论文的撰写过程中老师们给予我很大的帮助，帮助解决了不少的难点，使得论文能够及时完成，这里一并表示真诚的感谢。
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