2024年5月16日发(作者：祝婉仪)
一种导盲耳机的发明与制作
发布时间：2021-05-12T02:31:15.430Z 来源：《中国科技人才》2021年第8期 作者： 刘江宁1 宋宇2 解拓3
[导读] 骨传导是一种声音传导方式，即将声音转化为不同频率的机械振动，通过人的颅骨、骨迷路、内耳淋巴液传递、螺旋器、听神经、
听觉中枢来传递声波。相对于通过振膜产生声波的经典声音传导方式，骨传导省去了许多声波传递的步骤，能在嘈杂的环境中实现清晰的
声音还原，而且声波也不会因为在空气中扩散而影响到他人。
大连科技学院
一、导盲耳机的介绍
1.1产品介绍
导盲装置是以STC89C51单片机作为控制器，利用超声波发射与接收的原理对前方是否有障碍物进行分析，用蓝牙耳机进行语音提示。
系统的硬件结构框图如图2-1所示，主要由单片机控制系统、超声波发射电路、接收放大电路、语音提示电路、蓝牙传输模块和蓝牙耳机组
成。STC89C51单片机是整个系统的核心部件，用来控制、协调各部件的工作。工作时先由单片机控制扫描P2口，看超声波传感器是否有低
电平传入（也就是前方是否有障碍物），通过判定并执行相应的提示音
1.2功能介绍
骨传导是一种声音传导方式，即将声音转化为不同频率的机械振动，通过人的颅骨、骨迷路、内耳淋巴液传递、螺旋器、听神经、听
觉中枢来传递声波。相对于通过振膜产生声波的经典声音传导方式，骨传导省去了许多声波传递的步骤，能在嘈杂的环境中实现清晰的声
音还原，而且声波也不会因为在空气中扩散而影响到他人。骨传导技术分为骨传导扬声器技术和骨传导麦克风技术：（1）骨传导扬声器技
术用于受话，受话即听取声音。气导扬声器是把电信号转化为声波（振动信号）传至听神经。而骨传导扬声器则是电信号转化的声波（振
动信号）直接通过骨头传至听神经。声波（振动信号）的传递介质不同。（2）骨传导麦克风技术用于送话，送话即收集声音。气导送话是
声波通过空气传至麦克风，而骨传导送话则直接通过骨头传递。利用这些骨传导技术制造的耳机，称之为骨传导耳机，也被称作骨导耳
机、骨感耳机、骨传耳机和骨传感耳机。
二、电路设计
2.1蓝牙模块电路设计
本设计采用CSR BC417143芯片，该芯片支持蓝牙2.0协议和EDR模式，支持π/4DQPSK和8DPSK调制模式，最大速率可以达到3Mbps，
外置最大支持8Mbit FLASH。Firmware支持HF和HSprofile，工作在source模式。其中8M的闪存用来存储蓝牙模块的代码和协议，复位控制
用单片机的一个IO来实现；模拟音频输入信号接到ISD4004的AOUT管脚；单片机通过UART接口与蓝牙模块进行连接，单片机的TXD和
RXD端分别接在蓝牙模块的RXD和TXD端。
2 .2超声波发射与接收电路
本设计采用测量原理简单、测量精度较高、覆盖性较大的超声波来探测前方障碍物，超声波探测系统主要利用压电转换效应完成声能
与电能转换。即在发射超声波的时候，它是将电压能转换为发射的超声波信号。在接收超声波回波的时候，则将超声振动转换成电能信
号。在设置时在导盲杖的着地端安置四个方向不同的超声探头，分别指向前、上、左、右四个方向。在超声波发射电路和接收电路中都要
对相应信号进行整形及放大，并加上温度补偿电路就可以保证测量数据尽可能精确。
超声波探测系统主要由超声波谐振频率发生电路和频率调理电路、超声波发射电路部分、超声波接收电路、超声波回波信号整形电路
四部分组成该系统。
超声波谐振频率发生电路使用NE555和电容电阻组成的电路产生40KHz的方波，以使超声波传感器产生谐振，具有分压器，比较器，触
发器等功能。
超声波接收处理部分的电路前级采用低噪声输入的NE5532构成一个10000倍放大器，对接收超声波信号进行放大，后级采用LM311比
较器对接收的超声波信号进行调整，信号低通滤波后滤除4KHz以上的信号，将超声波信号放大后送入单片机。
2.3 语音提示
单片机对四个超声探头采集的信息进行处理，得到的数字信息通过串口送入语音芯片，与预先录好的提示音匹配，找到对应的提示
音，再经过AOUT输出传送给蓝牙模块的PCM输入。其中单片机与语音芯片的硬件连接如图所示。
三、程序设计
CSR BC417143模块通信程序设计
单片机控制CSR BC417143是通过串口进行的，因此单片机控制CSR BC417143实际就是对串口的操作，单片机可以控制蓝牙模块完成
复位蓝牙设备、读相关蓝牙设备模块、对蓝牙地址初始化、查询蓝牙模块、对蓝牙模块进行快速建立连接、同时可以进行蓝牙的发送数
据、蓝牙的接受数据和断开连接等。单片机将控制命令和数据发送给蓝牙模块是通过HCI传输层实现的，蓝牙模块将其状态信息及数据以
HCI事件的形式返回给单片机也是通过HCI传输层。每个HCI分组都是以HCI指示符为开始，不同的指示符代表不同类型的HCI分组，如：
0x01 HCI指令分组；0x02 HCI ACL数据分组；0x03 HCI SCO数据分组；0x04HCI事件分组。
在蓝牙数据传输应用中，采用一对一串口数据通讯，即蓝牙设备事先设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预先绑定与从端设备的
PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干预体设置过程如下：
CSR BC417143模块采用的是串口进行的初始化配置，模块默认波特率9600bps，设备名称：dz，配对密码：1234，如按默认参数进行
自动配对连接则无需以下个性设置。所有AT指令设置好的参数掉电都可保存。
四、硬件设计
4.1主机设置过程
如测试通讯指令，发送AT，如果连接无误，模块会回复OK，此时可以发送参数设置指令，发送“AT+BAUD1”（必须大写）可设置比特
率，设置成功后模块会回复“OK1200”，BAUD后面的序号代表需要设置的波特率，对应如下：4----9600bps
完成设置波特率后，接着还需要输入相应AT指令，把软件的波特率配置成与刚才设置的波特率一致才能响应AT指令（如用该波特率设
置新的波特率为1200bps后，需将软件的波特率设置为1200bps才能重新响应AT指令）。
发送“AT+PIN0000”可设置密码，设置成功后模块会回复“OKset PIN”，则配对密码已被设置为0000，密码只能是四个字符。该配对密码
在主设备连接到蓝牙透传模块需要提供。
4.2从机设置过程
从机的密码设置和比特率设置过程与主机一样，但从机可进行名字的修改设置，修改蓝牙名称，实现个性化设备，该名称为搜索到蓝
牙设备后显示的名称，发送“AT+NAMEXXXXXXX”，设置成功后模块会回复“OKsetname”，其中，NAME后面的字符为所要设置的设备的
名称，最多可支持20个字符，不支持中文。修改名称后请重新上电，名称才会变。以上就是自动连接的具体设置过程，在设置时选择静默
状态，即只能与指定的主端通信，不被别的蓝牙设备查找。当收到音频网关的呼叫时通过信令AT+CKPD来接受呼叫，而预先设定好的PCM
配置就可以使用HCI指令Add-SCO-Connection来建立一条SCO连接。两个蓝牙模块间的链接建立完成以后，就可向其中之一发送数据。在蓝
牙通信中蓝牙语音信道支持64kbit/s的音频信号传输，因此我们可以使用此速度对音频信号进行PCM编码方式传输。
4.3 音频进入蓝牙模块PCM接口的设置
模拟音频要进入蓝牙模块需要通过蓝牙模块的PCM接口才能实现语音传输，具体的工作如下：
当PCM进行长帧同步时首先需要在第一个时钟时PCM_SYNC置高，并在整个数据传输过程中一直置高，在程序PCM_Long Satrt（ ）
中，我们在PCM_CLK的下降沿处将PCM_SYNC置高这样就可以保证在第一个时钟周期时PCM_SYNC一直为高电平，即开始长帧传输，数
据帧从高到低一次在每个时钟周期中被读取，当在最后一个时钟周期结束时将PCM_SYNC置低，完成一次长帧同步通信，在程序中由void
PCM_Long Stop（void）完成结束工作。
当PCM进行短帧同步时首先需要在第一个时钟下降沿时将PCM_SYNC置高，并在下一个时钟上升沿前将PCM_SYNC置低，并在整个数
据传输过程中一直置低直到数据通信结束，void PCM_Short Strat（void）函数用于PCM主时序短帧开始函数，时钟函数我们用void
PCM_Short Frame（void）通过此函数我们可以完成一次时钟的高低电平从而使PCM_OUT和PCM_IN完成一次传输。
大创项目编号：X2
2024年5月16日发(作者：祝婉仪)
一种导盲耳机的发明与制作
发布时间：2021-05-12T02:31:15.430Z 来源：《中国科技人才》2021年第8期 作者： 刘江宁1 宋宇2 解拓3
[导读] 骨传导是一种声音传导方式，即将声音转化为不同频率的机械振动，通过人的颅骨、骨迷路、内耳淋巴液传递、螺旋器、听神经、
听觉中枢来传递声波。相对于通过振膜产生声波的经典声音传导方式，骨传导省去了许多声波传递的步骤，能在嘈杂的环境中实现清晰的
声音还原，而且声波也不会因为在空气中扩散而影响到他人。
大连科技学院
一、导盲耳机的介绍
1.1产品介绍
导盲装置是以STC89C51单片机作为控制器，利用超声波发射与接收的原理对前方是否有障碍物进行分析，用蓝牙耳机进行语音提示。
系统的硬件结构框图如图2-1所示，主要由单片机控制系统、超声波发射电路、接收放大电路、语音提示电路、蓝牙传输模块和蓝牙耳机组
成。STC89C51单片机是整个系统的核心部件，用来控制、协调各部件的工作。工作时先由单片机控制扫描P2口，看超声波传感器是否有低
电平传入（也就是前方是否有障碍物），通过判定并执行相应的提示音
1.2功能介绍
骨传导是一种声音传导方式，即将声音转化为不同频率的机械振动，通过人的颅骨、骨迷路、内耳淋巴液传递、螺旋器、听神经、听
觉中枢来传递声波。相对于通过振膜产生声波的经典声音传导方式，骨传导省去了许多声波传递的步骤，能在嘈杂的环境中实现清晰的声
音还原，而且声波也不会因为在空气中扩散而影响到他人。骨传导技术分为骨传导扬声器技术和骨传导麦克风技术：（1）骨传导扬声器技
术用于受话，受话即听取声音。气导扬声器是把电信号转化为声波（振动信号）传至听神经。而骨传导扬声器则是电信号转化的声波（振
动信号）直接通过骨头传至听神经。声波（振动信号）的传递介质不同。（2）骨传导麦克风技术用于送话，送话即收集声音。气导送话是
声波通过空气传至麦克风，而骨传导送话则直接通过骨头传递。利用这些骨传导技术制造的耳机，称之为骨传导耳机，也被称作骨导耳
机、骨感耳机、骨传耳机和骨传感耳机。
二、电路设计
2.1蓝牙模块电路设计
本设计采用CSR BC417143芯片，该芯片支持蓝牙2.0协议和EDR模式，支持π/4DQPSK和8DPSK调制模式，最大速率可以达到3Mbps，
外置最大支持8Mbit FLASH。Firmware支持HF和HSprofile，工作在source模式。其中8M的闪存用来存储蓝牙模块的代码和协议，复位控制
用单片机的一个IO来实现；模拟音频输入信号接到ISD4004的AOUT管脚；单片机通过UART接口与蓝牙模块进行连接，单片机的TXD和
RXD端分别接在蓝牙模块的RXD和TXD端。
2 .2超声波发射与接收电路
本设计采用测量原理简单、测量精度较高、覆盖性较大的超声波来探测前方障碍物，超声波探测系统主要利用压电转换效应完成声能
与电能转换。即在发射超声波的时候，它是将电压能转换为发射的超声波信号。在接收超声波回波的时候，则将超声振动转换成电能信
号。在设置时在导盲杖的着地端安置四个方向不同的超声探头，分别指向前、上、左、右四个方向。在超声波发射电路和接收电路中都要
对相应信号进行整形及放大，并加上温度补偿电路就可以保证测量数据尽可能精确。
超声波探测系统主要由超声波谐振频率发生电路和频率调理电路、超声波发射电路部分、超声波接收电路、超声波回波信号整形电路
四部分组成该系统。
超声波谐振频率发生电路使用NE555和电容电阻组成的电路产生40KHz的方波，以使超声波传感器产生谐振，具有分压器，比较器，触
发器等功能。
超声波接收处理部分的电路前级采用低噪声输入的NE5532构成一个10000倍放大器，对接收超声波信号进行放大，后级采用LM311比
较器对接收的超声波信号进行调整，信号低通滤波后滤除4KHz以上的信号，将超声波信号放大后送入单片机。
2.3 语音提示
单片机对四个超声探头采集的信息进行处理，得到的数字信息通过串口送入语音芯片，与预先录好的提示音匹配，找到对应的提示
音，再经过AOUT输出传送给蓝牙模块的PCM输入。其中单片机与语音芯片的硬件连接如图所示。
三、程序设计
CSR BC417143模块通信程序设计
单片机控制CSR BC417143是通过串口进行的，因此单片机控制CSR BC417143实际就是对串口的操作，单片机可以控制蓝牙模块完成
复位蓝牙设备、读相关蓝牙设备模块、对蓝牙地址初始化、查询蓝牙模块、对蓝牙模块进行快速建立连接、同时可以进行蓝牙的发送数
据、蓝牙的接受数据和断开连接等。单片机将控制命令和数据发送给蓝牙模块是通过HCI传输层实现的，蓝牙模块将其状态信息及数据以
HCI事件的形式返回给单片机也是通过HCI传输层。每个HCI分组都是以HCI指示符为开始，不同的指示符代表不同类型的HCI分组，如：
0x01 HCI指令分组；0x02 HCI ACL数据分组；0x03 HCI SCO数据分组；0x04HCI事件分组。
在蓝牙数据传输应用中，采用一对一串口数据通讯，即蓝牙设备事先设好两个蓝牙设备之间的配对信息，主端预先绑定与从端设备的
PIN码、地址等，两端设备加电即自动建链，透明串口传输，无需外围电路干预体设置过程如下：
CSR BC417143模块采用的是串口进行的初始化配置，模块默认波特率9600bps，设备名称：dz，配对密码：1234，如按默认参数进行
自动配对连接则无需以下个性设置。所有AT指令设置好的参数掉电都可保存。
四、硬件设计
4.1主机设置过程
如测试通讯指令，发送AT，如果连接无误，模块会回复OK，此时可以发送参数设置指令，发送“AT+BAUD1”（必须大写）可设置比特
率，设置成功后模块会回复“OK1200”，BAUD后面的序号代表需要设置的波特率，对应如下：4----9600bps
完成设置波特率后，接着还需要输入相应AT指令，把软件的波特率配置成与刚才设置的波特率一致才能响应AT指令（如用该波特率设
置新的波特率为1200bps后，需将软件的波特率设置为1200bps才能重新响应AT指令）。
发送“AT+PIN0000”可设置密码，设置成功后模块会回复“OKset PIN”，则配对密码已被设置为0000，密码只能是四个字符。该配对密码
在主设备连接到蓝牙透传模块需要提供。
4.2从机设置过程
从机的密码设置和比特率设置过程与主机一样，但从机可进行名字的修改设置，修改蓝牙名称，实现个性化设备，该名称为搜索到蓝
牙设备后显示的名称，发送“AT+NAMEXXXXXXX”，设置成功后模块会回复“OKsetname”，其中，NAME后面的字符为所要设置的设备的
名称，最多可支持20个字符，不支持中文。修改名称后请重新上电，名称才会变。以上就是自动连接的具体设置过程，在设置时选择静默
状态，即只能与指定的主端通信，不被别的蓝牙设备查找。当收到音频网关的呼叫时通过信令AT+CKPD来接受呼叫，而预先设定好的PCM
配置就可以使用HCI指令Add-SCO-Connection来建立一条SCO连接。两个蓝牙模块间的链接建立完成以后，就可向其中之一发送数据。在蓝
牙通信中蓝牙语音信道支持64kbit/s的音频信号传输，因此我们可以使用此速度对音频信号进行PCM编码方式传输。
4.3 音频进入蓝牙模块PCM接口的设置
模拟音频要进入蓝牙模块需要通过蓝牙模块的PCM接口才能实现语音传输，具体的工作如下：
当PCM进行长帧同步时首先需要在第一个时钟时PCM_SYNC置高，并在整个数据传输过程中一直置高，在程序PCM_Long Satrt（ ）
中，我们在PCM_CLK的下降沿处将PCM_SYNC置高这样就可以保证在第一个时钟周期时PCM_SYNC一直为高电平，即开始长帧传输，数
据帧从高到低一次在每个时钟周期中被读取，当在最后一个时钟周期结束时将PCM_SYNC置低，完成一次长帧同步通信，在程序中由void
PCM_Long Stop（void）完成结束工作。
当PCM进行短帧同步时首先需要在第一个时钟下降沿时将PCM_SYNC置高，并在下一个时钟上升沿前将PCM_SYNC置低，并在整个数
据传输过程中一直置低直到数据通信结束，void PCM_Short Strat（void）函数用于PCM主时序短帧开始函数，时钟函数我们用void
PCM_Short Frame（void）通过此函数我们可以完成一次时钟的高低电平从而使PCM_OUT和PCM_IN完成一次传输。
大创项目编号：X2