道路语音提示系统设计

道路语音提示系统设计

摘要：本系统主要安装在交通路口，其主旨是能为盲人出行提供更多的便利。系统与路口的交通系统紧密结合，能实时获取当前红绿灯信息。系统的电力由交通供电系统提供，经DC/DC芯片转换为本系统所需的电源电压。当盲人走近路口到适当范围内时，系统通过无线射频接收模块检测到盲人身上的射频发射模块（可置于盲人手杖或衣裤袋内）发出的盲人特征信息（即由编码芯片PT2262的地址端设定的值），经解码芯片PT2272处理后由单片机MSP430F149进行识别，然后经SPI总线控制语音芯片，通过扬声器播放该路口各方向的道路名称、走向以及附近标志性建筑名称，等等。盲人还可以通过模块上的按键实现重复收听，或选择播放红绿灯的实时状态信息以判断当前是否可通过路口。报告简要介绍了本系统的硬件和软件设计方案，给出了电路原理图及软件流图。

关键词：道路提示DC/DC转换MSP430单片机语音芯片ISD4004 编解码芯片PT2262/2272

一、设计背景

随着社会的发展和进步，一些特殊人群越来越受到社会的关注，越来越多的无障碍设施陆续投入建设和使用。众所周知，中国刚刚成功举办了残奥会，一方面这为残疾人提供了一个很好的展示自己的机会和舞台，是对残疾人“身残志不残”、“超越自我”的一种健康向上的心理激励和鼓舞；另一方面也是向各国展示我们在提高残疾人社会地位和服务水平方面所做出的不懈努力，而其中交通服务则是其中极其重要的一个组成部分。目前在城市的许多道路上都铺有盲道，但由于普通的盲道并不具有信息提示的功能，因此难以给盲人的出行带来多少切实的方便。基于此我们设计了这套安装在交通路口的语音道路提示系统，通过声音提示，能使盲人预知路口当前的交通状况，从而提高通行的便利和效率。

二、方案设计与论证

方案一：将MSP430单片机作为中央处理器，利用音霸卡对语音进行采集，并将采集的信息录入至计算机，然后写到单片机的闪存里，考虑到单片机的存储空间有限，因此采用一片8兆的外部存储器FLASH进行信息的存储。放音时先将语音信号通过D/A转换将数字信号转变成模拟信号，然后再经过功放电路将声音放大，通过扬声器进行播放。

优点：此方案思路明晰，各个模块的设计也很清楚，而且FLASH的使用不仅扩大了单片机的内存，而且使得语音存储和调用更加灵活。

缺点：语音信息的更新不够方便和及时。

方案二：采用ISD4004语音芯片实现声音的录放功能，这是一片可录8分钟的芯片，内部已经有A/D，D/A功能。芯片与单片机进行串行同步通信（SPI），用单片机向语音芯片发送操作代码，这样可以把麦克风录入的声音信息进行采集，存储到芯片中。放音时再利用单片机向芯片发送命令，芯片的输出端再通过功放电路就可以用扬声器进行播放。

优点：此方案仅用一片芯片即实现了A/D，D/A和存储的功能，大大简化了电路，使整个系统的实现更加简单，同时能较好地克服方案一的不足，此外运用了单片机的SPI功能，充分发挥了单片机的功能。

最终经过讨论，我们采用了方案二，系统的总体框图如下：

图1 语音道路提示系统的总体框图

三、硬件主要电路设计与参数计算

1、语音录入电路设计与计算

在语音芯片的内部音频输入端处有一运算放大器电路，该电路的输入阻抗较大，用一三极管构成射极跟随器，射极跟随电路能起到缓冲作用，并且输出阻抗很小，能带动较大负载。电路如图所示：

图2 语音录入电路设计

2、语音芯片应用电路设计

语音芯片ISD4004采用奈奎斯特采样定律对声音进行采集。一般人的声音频率在20到3400Hz之间，为计算方便，取声音的最大频率为4000Hz。根据

f m>-2f s，则采样频率为8kHz，即一秒钟采样8000次，每样值采用8bit编码，

也就是一秒钟采样8000字节，语音芯片内部共有十六根地址线。

图3 语音芯片应用电路设计

3、单片机电路设计

单片机电路选用MSP430F149，该单片机内部的P3端口含有SPI功能，正好和语音芯片的SPI管脚相连，进行同步串行通信，控制语音芯片执行相应功能。如录音、放音、上电、掉电，等等。电路如图所示：

图4 单片机电路设计

4、无线发、收模块应用电路设计

该电路选用的是编码芯片PT2262和解码芯片PT2272及射频模块AUKR315A和HY-2B。当发射模块的工作电压在6V时，感应距离能达到10米

左右。电路如图所示：

图5 无线发、收模块应用电路设计

5、音频功率放大电路的设计与计算

根据功率放大器芯片LM386的datasheet，当芯片的1脚和8脚悬空时，能

放大20倍（即26dB ）,当1脚和8脚间接电容时，放大倍数能达到100倍（即46dB ）。经过调试，要控制语音的播放不产生失真，我们选用了放大20倍的接法。电路如图所示：

图6 音频功放应用电路设计

6、DC/DC 转换电路的设计与计算

根据系统中的电压需求，语音信号的录入及功放芯片需12V ，射频的接收及语音芯片的工作需5V 的电压，而单片机的工作电压我们选用了3.3V 。在此，选用两片电压转换芯片TPS5430（稳压至5V ）和TLV1117（稳压至3.3V ）。

图7 DC/DC 转换电路设计

1.电阻R1和R2的选取可按公式R2=v out

R 221

.11?

取R1为10千欧，则R2为3.24千欧。

2.电感L 的选取按公式

F I K V V V V L SW OUT IND MAX IN OUT MAX IN MAX OUT MIN ???-?=)()()

()(

其中K IND 的值一般为0.2到0.3，I out 为3A ，F SW 为500KHz

由计算可得L MIN =13μH ，在此取为18μH 。

3.电容的选取

根据芯片手册，电容C2为0.01μF ； C1的值10μF ；

C3的选取按公式V f L C OUT CO OUT OUT ???=33571 其中L OUT 为18μH ，

f CO 为3-30kHz ，经计算和经验可得电容值

为220μF 。

四．软件设计与调试

图8 程序流程示意图