超聲波導盲杖的設計

摘要：世界上視覺(jué)障礙者數量眾多，他們只能用60％的感覺(jué)來(lái)獲取信息。超聲波導盲杖是為視覺(jué)障礙者提供環(huán)境導引的輔助工具。它通過(guò)超聲波傳感器對周?chē)h(huán)境進(jìn)行探測，將探測的信息反饋給視覺(jué)障礙者，幫助他們視覺(jué)信息的缺失。因而設計一款實(shí)用的導盲杖來(lái)幫助視覺(jué)障礙者是十分重要的。本設計在分析了國內外現有導盲輔助工具特點(diǎn)的基礎上，確定了超聲波導盲杖的總體設計方案，重點(diǎn)闡述了系統的硬件設計和軟件設計。系統采用PIC12C671作為主控制器，設計了超聲波發(fā)射接收電路和語(yǔ)音報警電路，并進(jìn)行了軟件程序的編寫(xiě)，以達到輔助盲人安全行走的目的。
關(guān)鍵詞：超聲波；視覺(jué)障礙者；PIC12C671；傳感器

0 引言
隨著(zhù)電子技術(shù)的不斷成熟和發(fā)展，人們對電子產(chǎn)品的需求轉移到為人類(lèi)的生活上來(lái)。依據超聲波測距原理輔助盲人行走，而超聲波導盲杖目前國內市場(chǎng)罕見(jiàn)，與盲人需求相差甚大。綜合分析表明，解決好功能價(jià)格比與我國盲人購買(mǎi)力的矛盾，是開(kāi)拓市場(chǎng)的關(guān)鍵。導盲儀器作為用于服務(wù)的電子產(chǎn)品的一種，要想使其控制方案更加優(yōu)化、行進(jìn)軌跡更加合理，模糊控制應用在導盲儀器上是發(fā)展的必然趨勢。將模糊集合理論運用于自動(dòng)控制而形成的模糊控制理論，在近年來(lái)得到了迅速的發(fā)展，其原因在于對那些時(shí)變的非線(xiàn)性的復雜系統，無(wú)法獲得精確的數學(xué)模型的時(shí)候，利用具有智能的模糊控制器能給出有效的控制。

1 超聲波導盲杖的整體設計及原理
1．1 超聲波的相關(guān)概念
超聲波是一種頻率為20 kHz以上的聲波，具有直線(xiàn)傳播的能力，頻率越高繞射能力越弱，但反射能力越強，其指向性強，能量消耗緩慢，傳播的距離較遠。超聲波經(jīng)常用于距離的測量，如測距儀和物位測量?jì)x等都通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現。利用超聲波檢測往往比較迅速、方便、計算簡(jiǎn)單、易于做到實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度方面能達到實(shí)用的要求，因此在各方面的研制上都得到了廣泛的應用。
1．2 導盲杖的整體設計
超聲波導盲杖是將超聲波探測障礙物功能與手杖觸探障礙物功能結合為一體。前者適宜先期發(fā)現較遠的和較大的障礙物；后者適宜于鑒別腳下低矮障礙物及反射聲波不良物。因此，超聲波發(fā)射與接收模塊裝在手杖底部，而語(yǔ)音報警模塊則裝在手杖上端，方便盲人聽(tīng)到報警聲。本設計主要由單片機和超聲波探測電路、語(yǔ)音報警電路等組成。其中，超聲波探測電路包括超聲波接收電路和超聲波發(fā)射電路。
超聲波導盲杖硬件整體構架如圖1所示：

2 超聲波導盲杖的硬件設計
2．1 微控制器的選型
PIC12C671具有如下特點(diǎn)：低功耗高速CMOS EPROM／EEPROM技術(shù)，寬工作電壓范圍，只有8個(gè)引腳，同時(shí)具有DIP和SOIC封裝形式。在工作電壓為5 V，時(shí)鐘頻率為4 MHz時(shí)耗電僅為2 mA，當工作電壓為3 V，時(shí)鐘頻率為32 kHz時(shí)耗電僅為15μA，而待機模式只有1μA，這個(gè)特性適合于電池供電的掌上型電子產(chǎn)品。因此，本設計選擇PIC12C671作為主控芯片。PIC12C671單片機(如圖1所示)是一種功能強大的微控制器，可以為嵌入式控制系統提供高度靈活而有效的解決方案。
2．2 超聲波傳感器的選型
超聲波傳感器是利用超聲波的特性研制而成的傳感器。正常成年人的行走速度為1．5 m／s，反應時(shí)間為0．15 s～0．4 s，按照人的最慢反應時(shí)間來(lái)算，從人感知到前方障礙物到停止前進(jìn)，依然還要行進(jìn)0．6 m，而盲人的行走速度要低于正常人的，由此設定障礙物探測距離為3m。因此，本設計采用超聲波傳感器URF04實(shí)現該模塊設計。