基于超聲波測距的導盲系統設計

摘要：文章設計了一種基于超聲波測距原理的導盲系統。系統以STC125A60S2單片機為核心控制器件，利用渡越時(shí)間法測量經(jīng)溫度傳感器DB18B-20補償后的距離，實(shí)現對盲人行走道路上障礙物距離的測量及定位，并通過(guò)SYN6658語(yǔ)音模塊進(jìn)行語(yǔ)音播報導航。

0 引言

根據最新研究報告，中國每年新增盲人大約45萬(wàn)，預計到2020年我國視力殘疾人數將為目前的4倍，達5000余萬(wàn)。由于生理上的缺陷，盲人在生活、工作等方面有著(zhù)諸多不便。因此，將現今技術(shù)用于盲人導航是十分必要的。

超聲波具有方向性強、能量易于集中、傳播距離較遠及對障礙物定位精確等特點(diǎn)，其產(chǎn)品具有體積相對較小、方便攜帶、價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)。因此采用超聲波測距及語(yǔ)音播報實(shí)現盲人導航，具有一定的實(shí)用價(jià)值。

1 超聲波測距的原理

1.1 超聲波y距方法

超聲波是指振動(dòng)頻率大于20kHz以上的聲波。超聲波測距方法主要有相位檢測法、聲波幅值檢測法和渡越時(shí)間法三種。其中，相位檢測法精度高，但檢測范圍有限;聲波幅值檢測法易受反射介質(zhì)的影響。因此，本設計采用渡越時(shí)間法測距。

超聲波測距的工作原理：發(fā)射換能器向外發(fā)射超聲波，同時(shí)單片機開(kāi)始計時(shí)，超聲波在介質(zhì)中傳播的途中遇到障礙物后會(huì )立即反射回來(lái)，當接收換能器接收回波時(shí)單片機停止計時(shí)，從而得到計時(shí)器精確記錄的時(shí)間t，再根據渡越時(shí)間法求出目標障礙物距信號發(fā)射源的距離。

S=ct/2 (1)

對一般流質(zhì)媒質(zhì)而言，聲波是一種縱波，傳播速度為：c=√E/ρ，其中E為媒質(zhì)的彈性模量; ρ為媒質(zhì)密度;c是復數，其實(shí)數部分代表傳播速度，虛數部分與衰減常數有關(guān)。超聲波測距原理圖如圖1所示。

1.2 超聲波測距的溫度誤差分析

空氣密度越高，超聲波的傳播速度就越快，而空氣的密度又與溫度有著(zhù)密切的關(guān)系，此溫度對測量精度有一定的影響。氣體中聲速受溫度影響最大，超聲波在空氣中傳播速度為

C=331.4×1+T/273 (2)

其中T為環(huán)境攝氏溫度，因此我們需要采用測溫模塊對溫度產(chǎn)生的影響進(jìn)行補償。

2 系統硬件設計

2.1 總體設計

本系統由STC12C5A60S2單片機、超聲波發(fā)射電路模塊、回波接收電路模塊、測溫模塊、語(yǔ)音模塊五大部分組成。如圖2所示。

STC12C5A60S2單片機是本系統的核心，控制各個(gè)模塊協(xié)調工作。通過(guò)單片機的P1.0引腳控制超聲波發(fā)射電路模塊產(chǎn)生40 kHz的脈沖信號，并驅動(dòng)超聲波傳感器發(fā)射超聲波。當第一個(gè)脈沖發(fā)射結束后，啟動(dòng)計數器開(kāi)始計時(shí)，超聲波回波信號通過(guò)放大和判別后送到單片機的外部中斷器，單片機一旦接收到回波信號，便產(chǎn)生外部中斷。單片機STC12C5A60S2停止計數器計數，從而得到超聲波的在空氣介質(zhì)中的傳輸時(shí)間t，最后通過(guò)溫度補償，利用式(1)計算出發(fā)射點(diǎn)距障礙物的距離，并通過(guò)語(yǔ)音模塊播報提示。

2.2 超聲波發(fā)射電路設計

由于NE555集成芯片搭建電路簡(jiǎn)單、需用元件少、容易實(shí)現，并且產(chǎn)生波形失真度小，故本系統采用NE555集成電路作為發(fā)射電路。根據上述，知發(fā)射端工作頻率為40kHZ，采用NE555芯片構成時(shí)基電路及外圍元件構成多諧振電路，通過(guò)調節電阻R3的值從而改變頻率。其工作電路如圖3所示。

圖3中555定時(shí)器構成的多諧振蕩器，復位端4由單片機的P0.4口控制，當單片機給低電平時(shí)，電路停振;當單片機給高電平時(shí)電路起振接通電源后，電容C2來(lái)不及充電，6腳電壓Uc=0，則Uc=1，此時(shí)555芯片內部的三極管VT處于截止狀態(tài)。這時(shí)Vcc經(jīng)過(guò)R3和R2向C2充電，當充至Uc=2/3 Vcc時(shí)，輸出翻轉U1=0，VT導通;這時(shí)電容C2經(jīng)R2和VT放電，當降至Uc=1/3Vcc時(shí)，輸出翻轉U1=1。C2放電終止、又重新開(kāi)始充電，周而復始，形成振蕩。其振蕩周期與充電時(shí)間tPH和放電時(shí)間tPL有關(guān)，振蕩周期為：

由式(4)可知，555多諧振蕩器的振蕩頻率由R2、R3、C2來(lái)確定。在電路設計時(shí)，先確定C2、R2的取值，即C2=3300pf，R2=2.7 KΩ。再將C2和R2的值代入式(4)可知：

為增大U1的輸出功率，將555芯片的8腳接+12V的電壓，同時(shí)將其復位端4接高電平。通過(guò)調節電位器R3的阻值，使輸出波形的頻率為40k HZ。

2.3 接收端電路設計

鑒于回波信號的變化范圍較大，因此對放大電路的增益提出了兩個(gè)要求：一是放大增益要大，以適應小信號的需要;二是放大增益能變化，以適應信號變化范圍大的需要。

由于回波信號為40kHZ交流信號，頻率較高，當回波信號放大時(shí)，放大器必須具有良好的交流特性，以提高信號的放大精度。鑒于該接收電路具有信號的轉化、放大、檢波、整流等特性。因此，我們設計了如圖4所示的回波接收電路。

信號流程：當R40收到超聲波時(shí)，R40將超聲波信號變?yōu)殡妷盒盘?，此信號電壓加到BG2的基極，經(jīng)BG2放大后從集電極輸出，經(jīng)C7耦合到BG3基極，被BG3放大后從集電極輸出，被C8、D5、D6組成的倍壓檢波電路變?yōu)橹绷麟妷?。雙倍于交流信號電壓的直流信號電壓加到BG3的基極，BG3再放大后由P送往后繼電路。

當R40沒(méi)有收到超聲波時(shí)，R40沒(méi)有交流輸出，BG2處于靜態(tài)，BG3也處于靜態(tài)。C8、D5、D6組成的倍壓檢波電路沒(méi)有直流電壓輸出，BG4處于無(wú)偏置狀態(tài)，處于截止狀態(tài)，無(wú)信號輸出。

BG4是以開(kāi)關(guān)方式工作的，當R40檢測到超聲波時(shí)，BG4飽和，C—E之間等于短路，當R40沒(méi)有檢測到超聲波時(shí)，BG4截止，C—E之間等于開(kāi)路。

2.4 溫度測量電路

常溫下，超聲波的傳播速度為340m/s，但傳播速度易受到空氣的溫度、濕度、壓強等因素的影響，其中溫度的影響最大，一般溫度每升高1℃，聲速增加約為0.61m/s。

本文采用DS18B20檢測現場(chǎng)溫度，用以實(shí)現實(shí)際波速的校準。DS18B20是DallaS公司開(kāi)發(fā)的12Wire(單總線(xiàn))高精度數字式半導體溫度傳感器。其抗干擾能力強、轉換精度高，使用時(shí)無(wú)需標定或調試，與微處理器的接口電路簡(jiǎn)單，可方便地實(shí)現多點(diǎn)組網(wǎng)測溫，給硬件設計帶來(lái)了極大的方便。

DS18B20單總線(xiàn)通信功能是分時(shí)完成的，因此讀寫(xiě)時(shí)序很重要。系統對DS18B20的各種操作必須按協(xié)議進(jìn)行。

操作協(xié)議為：初始化DS18B20(發(fā)復位脈_)→發(fā)ROM功能命令→發(fā)存儲器操作命令→處理數據。系統采用STC89S52作為控制核心，P1.7接數據總線(xiàn)，控制DS18B20進(jìn)行溫度轉換和傳輸數據，同時(shí)數據總線(xiàn)上還要接4.7k左右的上拉電阻。

對DS18B20采用外部供電，從VDD引腳接入一個(gè)外部電源，優(yōu)點(diǎn)在于I/O線(xiàn)不需要上拉，而且總線(xiàn)控制器無(wú)需在溫度轉換期間一直保持高電平。這樣在轉換期間可以允許在單線(xiàn)總線(xiàn)上傳輸其他數據，硬件電路如圖5所示。

2.5 語(yǔ)音電路設計

本系統語(yǔ)音模塊采用了SYN6658語(yǔ)音模塊。SYN6658通過(guò)UART接口或SPI接口通訊方式，接收待合成的文本數據，實(shí)現文本到語(yǔ)音的轉換它具有小尺寸貼片封裝、硬件接口簡(jiǎn)單、低功耗、音色清亮圓潤等優(yōu)點(diǎn)。除此之外，SYN6658在識別文本/數字/字符串中更智能、更準確，語(yǔ)音合成自然度上升了一個(gè)大的臺階。本系統利用該芯片進(jìn)行語(yǔ)音播報從而實(shí)現導航的效果。

主控制器STC12C5A60S2和SYN6658語(yǔ)音合成芯片之間通過(guò)UART接口或SPI接口連接，控制器可通過(guò)通訊接口向SYN6658語(yǔ)音合成芯片發(fā)送控制命令和導航提示語(yǔ)句文本，SYN6658語(yǔ)音合成芯片把接收到的導航語(yǔ)句文本合成為語(yǔ)音信號輸出，輸出的信號經(jīng)功率放大器放大后由喇叭播放。

3 軟件設計

本系統的軟件主要完成超聲波的發(fā)射、接收、單片機的計時(shí)及溫度補償后的距離計算、語(yǔ)音播報等功能。它包括主程序、計時(shí)中斷子程序、語(yǔ)音播報子程序等。其流程如圖6所示。

4 結束語(yǔ)

本系統經(jīng)過(guò)多次試驗，測試所得結果與設計要求基本一致。系統成功且精確地測出距離并進(jìn)行了溫度補償計算，本超聲波測距的導盲設計有效距離可達到3.8m，測量精度為2.0cm，同時(shí)可以實(shí)時(shí)地通過(guò)語(yǔ)音模塊播報提示，具有很好的導航功能，能夠滿(mǎn)足盲人導航器的設計要求，為盲人安全、快速行走提供了保障。