基于51單片機(jī)的語(yǔ)音導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)

1、摘 要本文介紹了一款基于51單片機(jī)為核心的語(yǔ)音導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案。系統(tǒng)由兩部分組成：一時(shí)超聲眼鏡探測(cè)器，二是語(yǔ)音提醒器。探測(cè)器主要根據(jù)超聲獲取數(shù)據(jù)，經(jīng)單片機(jī)處理后由無(wú)線(xiàn)模塊發(fā)送出去。語(yǔ)音提醒器有單片機(jī)控制，接收數(shù)據(jù)，然后驅(qū)動(dòng)語(yǔ)音芯片提醒。該系統(tǒng)具有成本低廉、使用方便等優(yōu)點(diǎn)，是一款通用性較強(qiáng)的理想導(dǎo)盲設(shè)備。研究了一種基于嵌入式體統(tǒng)和超聲波測(cè)距系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案，應(yīng)用移植嵌入式操作系統(tǒng)并給出障礙物檢測(cè)優(yōu)化方法，并且根據(jù)超聲波測(cè)距的工作原理對(duì)障礙物進(jìn)行距離測(cè)量。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)在自然盲道情況下達(dá)到了處理實(shí)時(shí)性和判斷的準(zhǔn)確性要求，可較好地服務(wù)與盲人的獨(dú)立出行。關(guān)鍵詞：51單片機(jī) 語(yǔ)音提醒 超聲測(cè)距 無(wú)

2、線(xiàn)數(shù)傳模塊 導(dǎo)盲系統(tǒng)；IIAbstractThis 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

3、 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 sys

4、tem 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

5、serves for the blinds independent travel.KEY WORD ：51 MCU Voice alarm Ultrasound detector Wireless module Guide system for blind目 錄摘 要IAbstractII第一章 緒言1第一節(jié) 總體方案1第二章 硬件電路的設(shè)計(jì)2第一節(jié) 超聲模塊電路2第二節(jié) 液晶顯示電路6第三節(jié) 語(yǔ)音輸出電路7第四節(jié) 無(wú)線(xiàn)模塊電路設(shè)計(jì)8第三章 軟件設(shè)計(jì)9第四章 結(jié)語(yǔ)11致 謝12參考文獻(xiàn)13第一章 緒言盲人群體一直是社會(huì)中需要關(guān)心的弱勢(shì)群體，出門(mén)不便對(duì)于所有盲人患者是一個(gè)較大的難題。目前市場(chǎng)上有

6、很多種導(dǎo)盲設(shè)備，但大多原理簡(jiǎn)單、功能單一、較機(jī)械化，出現(xiàn)的問(wèn)題也較多，給經(jīng)常出門(mén)的盲人使用者帶來(lái)不便?；诤?jiǎn)單實(shí)用、價(jià)格低廉的考慮，本文介紹一款語(yǔ)音導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，能在一定程度上解決廣大盲人患者出行困難。整個(gè)系統(tǒng)分為兩部分，一是眼鏡探測(cè)器，二是隨身攜帶的語(yǔ)音提醒裝置。都含有硬、軟件兩個(gè)部分設(shè)計(jì)。此款導(dǎo)盲眼鏡系統(tǒng)以超聲測(cè)距探測(cè)障礙物獲得相應(yīng)數(shù)據(jù)，利用2.4G無(wú)線(xiàn)數(shù)傳模塊傳送，獲得數(shù)據(jù)后，單片機(jī)即進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，最后控制ISD系列語(yǔ)音芯片給出播報(bào)提醒，同時(shí)啟動(dòng)振動(dòng)提醒。該系統(tǒng)主要優(yōu)點(diǎn)如下：操作簡(jiǎn)單方便；超聲測(cè)距、無(wú)線(xiàn)傳輸讓整個(gè)導(dǎo)盲設(shè)備更輕松；具有語(yǔ)音告知功能，兼帶振動(dòng)功能，更加人性化、智能化。第一節(jié)

7、 總體方案系統(tǒng)以51系列單片機(jī)為核心控制器，利用超聲測(cè)距模塊、無(wú)線(xiàn)傳輸模塊、ISD4003語(yǔ)音芯片、LM386集成運(yùn)放、NOKIA5110 LCD液晶顯示器等外設(shè)配合使用搭載的一個(gè)語(yǔ)音導(dǎo)盲設(shè)備。系統(tǒng)整體框圖如1.1所示。圖1.1 系統(tǒng)整體圖13第二章 硬件電路的設(shè)計(jì)第一節(jié) 超聲模塊電路一、超聲模塊電路超聲波測(cè)距是借助于超聲脈沖回波渡越時(shí)間法來(lái)實(shí)現(xiàn)的。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c，則從傳感器到目標(biāo)物體的距離T?？捎孟率角筇帲篋=ct2，如表2.1超聲模塊與單片機(jī)接口電路，如圖2.1所示。表2.1引腳功能1VCC2Trig3Echo4GND圖2.1

8、超聲模塊接口電路圖二、導(dǎo)盲杖控制系統(tǒng)導(dǎo)盲杖控制系統(tǒng)采用分散式控制方式，如圖2.2所示。該導(dǎo)盲杖控制系統(tǒng)主要由控制單元、超聲波測(cè)距單元、圖像識(shí)別處理單元、語(yǔ)音控制單元等組成。主控制單元主要完成導(dǎo)盲杖各個(gè)部分的協(xié)調(diào)控制、計(jì)算和分析；超聲波測(cè)距單元完成人在行走過(guò)程中對(duì)障礙物距離的測(cè)算功能，以做出運(yùn)動(dòng)策略的分析；圖像識(shí)別處理單元完成人在行走過(guò)程中對(duì)障礙物的檢測(cè)識(shí)別功能；語(yǔ)音控制單元完成對(duì)盲人的語(yǔ)音提示和發(fā)出警報(bào)等。主控制單元采用AT89S52單片機(jī)，圖像識(shí)別處理單元采用ADSP-BF533（簡(jiǎn)稱(chēng)BF533）為中心處理器的圖像識(shí)別系統(tǒng)，其他單元均采用AT89S51單片機(jī)，各個(gè)部分通過(guò)串口多機(jī)通信來(lái)完成信

9、息交換。多機(jī)通信中采用總線(xiàn)型從式多機(jī)系統(tǒng)。圖2.2 導(dǎo)盲系統(tǒng)集散控制框圖三、障礙物檢測(cè)識(shí)別和超聲波測(cè)距原理我們所研究的障礙物檢測(cè)識(shí)別是基于直線(xiàn)段匹配的障礙物檢測(cè)識(shí)別技術(shù)。因?yàn)榇蠖鄶?shù)的障礙物呈現(xiàn)為棱柱形，圓臺(tái)狀，長(zhǎng)方體等形狀（如電線(xiàn)桿，箱子，桌子等），而且這兩條直線(xiàn)段中的像素點(diǎn)的梯度方向應(yīng)該是對(duì)稱(chēng)的，所以檢測(cè)出這些近似直線(xiàn)段的邊緣就可以重構(gòu)無(wú)題輪廓，從而識(shí)別檢測(cè)出障礙物。本文提出的算法主要有三部分組成：首先計(jì)算原圖像中邊緣點(diǎn)的梯度值和梯度方向，并按照“同一直線(xiàn)段像素點(diǎn)的梯度值和梯度方向近似”的原則從邊緣點(diǎn)圖像中提取出直線(xiàn)段；然后利用提取出來(lái)的直線(xiàn)段的各種屬性（長(zhǎng)度，梯度方向，位置），兩條直線(xiàn)段之

10、間像素點(diǎn)的灰度直方圖以及背景灰度直方圖對(duì)直線(xiàn)進(jìn)行匹配，搜索出分別對(duì)應(yīng)于各個(gè)物體左右邊緣的兩兩相對(duì)的直線(xiàn)段；最后按照匹配計(jì)算出匹配值重構(gòu)“障礙物”輪廓并確定其位置。超聲波為直線(xiàn)傳播方式，頻率越高，反射能力越強(qiáng)，而繞射能力越弱。利用超聲波的這種特性，常常用渡越時(shí)間檢測(cè)法進(jìn)行距離的測(cè)量。其工作原理是：換能器向介質(zhì)中聲速為C，回波到達(dá)時(shí)刻與發(fā)射波時(shí)刻的時(shí)間差為t，就可以計(jì)算出發(fā)射點(diǎn)與反射點(diǎn)的距離s，s=c×t/2式中，c為超聲波的傳播速度（m/s）。超聲波在固體中傳播速度最快，在氣體中傳播速度最慢，而且聲速c與溫度有關(guān)。如果環(huán)境溫度變化顯著，必須考慮溫度補(bǔ)償問(wèn)題。空氣中聲速與溫度的關(guān)系可以表

11、示為（2）C=331.4式中T為環(huán)境溫度（）。超聲波常溫下在空氣中的傳播速度是340m/s，這里由于測(cè)量距離不長(zhǎng)，測(cè)量精度要求不高，不考慮其它影響，只要測(cè)的超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差t，按式（1）計(jì)算即可【4】。四、超聲波測(cè)距系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)（一） 超聲波發(fā)送電路超聲波的發(fā)送電路原理圖見(jiàn)圖2.3來(lái)自單片機(jī)的信號(hào)A觸發(fā)NE555定時(shí)器電路產(chǎn)生頻率約為40KHz方波信號(hào)，經(jīng)過(guò)CD4069六非門(mén)反相器進(jìn)行功率放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)送傳感器T40-16，發(fā)送超聲波。圖 2.3 超聲波發(fā)送電路原理圖(二) 超聲波接收電路當(dāng)超聲波遇到障礙物返回時(shí)，超聲波接收傳感器R40-16接收回波，由于回波電壓值只在mV量級(jí)

12、，所以采用LM324的兩級(jí)放大電路進(jìn)行幅值放大放大后的波形信號(hào)送到LM567集成鎖相環(huán)路解碼器，調(diào)節(jié)電阻與電容值，將頻率鎖在40KHz左右。當(dāng)放大信號(hào)大于25rnV，就會(huì)在8引腳產(chǎn)生高電平信號(hào)B送到單片機(jī)處理。圖2.4 超聲波接收電路原理圖（三） 單片機(jī)控制電路本文的導(dǎo)盲杖采用了圖像處理技術(shù)對(duì)障礙物的檢測(cè)，用來(lái)預(yù)警快速移動(dòng)過(guò)來(lái)的人或物。超聲波測(cè)距系統(tǒng)在導(dǎo)盲杖上的應(yīng)用，如超聲波收發(fā)電路主要完成數(shù)據(jù)的采集和初步處理，處理后的數(shù)據(jù)傳送到AT89S51單片機(jī)，再進(jìn)行最終的數(shù)據(jù)處理。單片機(jī)控制電路主要完成發(fā)送與關(guān)閉控制信號(hào)、計(jì)時(shí)、接收回波信號(hào)及串口通信等工作。單片機(jī)對(duì)收發(fā)電路的控制主要是對(duì)發(fā)射超聲波控制

13、電路進(jìn)行計(jì)數(shù)初始化，單循環(huán)方式使3路發(fā)送電路一次發(fā)送和接受超聲波，單獨(dú)進(jìn)行距離的計(jì)算，其目的是使計(jì)數(shù)程序避免硬件回波間的干擾。單片機(jī)完成收發(fā)動(dòng)作后就將計(jì)數(shù)器計(jì)數(shù)的計(jì)數(shù)值經(jīng)處理得到距離信息送到緩存區(qū)，等待與主控制器AT89S52進(jìn)行串口通訊，達(dá)成協(xié)議后即可將距離信息送入主控制器。串口通訊硬件電路由具有電平轉(zhuǎn)換功能的MAX232芯片及外圍元件組成。五、超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)本系統(tǒng)的軟件采用模塊化設(shè)計(jì)，超聲波收發(fā)器控制、數(shù)據(jù)處理和存儲(chǔ)、與主控制器的通訊都由AT89S51單片機(jī)來(lái)來(lái)完成，主程序流程圖如圖2.5所示。圖 2.5 超聲波測(cè)距系統(tǒng)軟件流程圖在控制系統(tǒng)得電工作，先進(jìn)行初始化后，為系統(tǒng)設(shè)置一系列

14、初始化值，包括超聲波發(fā)射間隔數(shù)、定時(shí)器定時(shí)初值、距離計(jì)算參考數(shù)等。后程序控制發(fā)送0.2ms寬度的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器T0計(jì)時(shí)；啟動(dòng)接收回波程序，等待接收回波，有回波則停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，用式（1）計(jì)算距離，然后通過(guò)串行通訊將數(shù)據(jù)傳送給主控制器，最后返回重新開(kāi)始。第二節(jié) 液晶顯示電路一、液晶顯示電路系統(tǒng)使用nokia5110液晶顯示模塊進(jìn)行顯示。5110LCD是一塊84×46點(diǎn)矩陣顯示設(shè)備，內(nèi)部采用PCD8544控制器進(jìn)行顯示控制，該模塊是串行控制設(shè)備，遵循串行總線(xiàn)協(xié)議進(jìn)行通信，接口電路提供八個(gè)引腳（引腳功能如圖2.2所示），與單片機(jī)連接如圖2.6所示。表2.2液晶模塊引腳功能引腳

15、功能1VCC2GND3SCE4RST5DC6DN(MOSI)7SCLK8LED圖2.6液晶接口電路第三節(jié) 語(yǔ)音輸出電路一、語(yǔ)音輸出電路ISD4003語(yǔ)音芯片與普通的錄音/重放芯片相比，具有如下特點(diǎn)：首先是記錄聲音沒(méi)有段長(zhǎng)度限制，并且聲音記錄不需要A/D轉(zhuǎn)換和壓縮。其次，快速閃存作為存儲(chǔ)介質(zhì)，無(wú)電源可保存數(shù)據(jù)長(zhǎng)達(dá)100年，重復(fù)記錄10000次以上。此外，ISD4003具有記錄時(shí)間長(zhǎng)可達(dá)4分鐘，本文采用的為4分鐘的ISD4003語(yǔ)音芯片的優(yōu)點(diǎn)。ISD在任何事操作（包括快進(jìn)）中檢測(cè)到EOM或OVF時(shí)，本段變低并保持，中斷狀態(tài)在下一個(gè)SPI周期開(kāi)始時(shí)被清除。中斷狀態(tài)也可以用RINT指令讀取。OVF標(biāo)志

16、指示ISD的錄放操作已經(jīng)到達(dá)存儲(chǔ)器的末尾。EOM標(biāo)志指示在放音中檢測(cè)到內(nèi)部的EOM標(biāo)志時(shí)。此狀態(tài)位才置1.語(yǔ)音芯片與單片機(jī)之間的連接非常簡(jiǎn)單：SS（接P00）、MOS（接P01）、MISO（接P0）、SCLK（接P03）、INT（接P32）、RAC（接）。至于芯片外加電容等連接方式參加ISD400304數(shù)據(jù)手冊(cè)。第四節(jié) 無(wú)線(xiàn)模塊電路設(shè)計(jì)一、無(wú)線(xiàn)模塊電路設(shè)計(jì)nRF24L01是一款工作在2.4GHz2.5GHz世界通用ISM頻段的單片機(jī)無(wú)線(xiàn)收發(fā)器芯片。無(wú)線(xiàn)收發(fā)器包括：頻率發(fā)生器、增強(qiáng)型SchockBurst模式控制器。功率放大器、晶體振蕩器、調(diào)制器、解調(diào)器。輸出功率、頻道選擇和協(xié)議的設(shè)置可以通過(guò)S

17、PI借口進(jìn)行（如表2.3和圖2.7）。表2.3 超聲模塊引腳功能引腳功能1VCC2Trig3Echo4GND圖2.7 超聲模塊接口電路圖第三章 軟件設(shè)計(jì)軟件使用C語(yǔ)言編程開(kāi)發(fā)。語(yǔ)音芯片和單片機(jī)通信SPI串行口實(shí)現(xiàn)的，單片機(jī)對(duì)語(yǔ)音芯片的控制必須遵循SPI串行數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議。軟件設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分：一、眼鏡探測(cè)器的設(shè)計(jì)。2051mcu構(gòu)建最小系統(tǒng)。初始化各模塊。啟動(dòng)超聲模塊開(kāi)時(shí)器，最后計(jì)算并發(fā)送距離數(shù)據(jù)。二、語(yǔ)音提醒器的設(shè)計(jì)。初始化各模塊。進(jìn)入接受狀態(tài)，接收數(shù)據(jù)，進(jìn)行信息處理并處理語(yǔ)音提醒（如圖3.1和圖3.2）。圖3.1 眼睛探測(cè)器程序流程圖圖3.2 語(yǔ)音提醒器程序流程圖第四章 結(jié)語(yǔ)本文介紹的一種語(yǔ)

18、音導(dǎo)盲系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方案在使用價(jià)值上還是值得認(rèn)同的，但尚有很多不足之處，例如若遇到復(fù)雜的外部環(huán)境就很難提供準(zhǔn)備的路況信息；該設(shè)計(jì)采用的是單探頭測(cè)距蔽障，只能固定一個(gè)方向的探測(cè)，在360度全景的環(huán)境下顯得有所不足，但可以用探頭按時(shí)序分別掃描探測(cè)的改進(jìn)方案得以彌補(bǔ)。總之，該方案在一般環(huán)境下還是適用的，而且操作簡(jiǎn)單、價(jià)格低廉，適合于國(guó)內(nèi)非特殊精確水平級(jí)別上推廣，對(duì)廣大盲人朋友也是一個(gè)很好的幫助。致 謝在論文的寫(xiě)作過(guò)程中遇到了無(wú)數(shù)的困難和障礙，都在同學(xué)和老師的幫助下度過(guò)了。尤其要強(qiáng)烈感謝我的論文指導(dǎo)老師XX老師，她對(duì)我進(jìn)行了無(wú)私的指導(dǎo)和幫助，不厭其煩的幫助進(jìn)行論文的修改和改進(jìn)。另外，在校圖書(shū)館查找資料的時(shí)候，圖書(shū)館的老師也給我提供了很多方面的支持與幫助。在此向幫助和指導(dǎo)過(guò)我的各位老師表示最中心的感謝！感謝這篇論文所涉及到的各位學(xué)者。本文引用了數(shù)位學(xué)者的研究文獻(xiàn)，如果沒(méi)有各位學(xué)者的研究成果的幫助和啟發(fā)，我將很難完成本篇論文的寫(xiě)作。感謝我的同學(xué)和朋友，在我寫(xiě)論文的過(guò)程中給予我了很多你問(wèn)素材，還在論