超聲波導盲器的設計

1 引言

盲人在獨自行走時(shí)主要依靠導盲裝置。最簡(jiǎn)單常用的裝置是普通的手杖，用它在地面上敲擊，可幫助盲人發(fā)現0.5米以?xún)鹊恼系K物。它的主要缺點(diǎn)是不能發(fā)現較遠一點(diǎn)的障礙物以及空中突出的障礙物。例如，在相當于頭部、胸的位置懸掛或突出的物體。另外，盲人還可以利用導盲犬帶路，但是不易訓練且成本較高。為了更好的幫助盲人行走, 許多國家都研究和生產(chǎn)了各種電子導盲裝置，但大多成本較高，如各類(lèi)導盲機器人及其它電子裝置。本文提出了一種用單片機開(kāi)發(fā)的超聲波導盲裝置的設計方案，它具有低成本、實(shí)用和精確的特點(diǎn)。

2 導盲裝置的功能設計及系統組成

導盲裝置主要由超聲波探頭、單片機以及測控及處理電路、按鍵、蜂鳴器等組成，可以放在包中，或安裝在帽子上、手杖中。導盲裝置有三個(gè)按鈕，分別是電源開(kāi)關(guān)、遠距、近距控制按鈕，還有一個(gè)音量調節旋紐。該裝置使用電池，電源開(kāi)關(guān)可控制系統通、斷電，不用的時(shí)候關(guān)掉電源，節省電能。使用時(shí)，超聲波探頭方向指向探測方向，當前方有障礙物時(shí)，在一定距離內喇叭會(huì )發(fā)出報警聲并隨著(zhù)向障礙物的接近頻率逐漸升高，起到提示作用。遠距、近距、控制按鈕可用來(lái)控制報警的距離，通電時(shí)初始報警距離為2米，按遠距控制按鈕可將初始報警距離設為5米，按近距控制按鈕可將初始報警距離設為1米，報警聲音音量可用音量調節旋紐調節，有耳機插孔，可以接耳機。

該裝置是以AT89C51單片機作為控制器，利用超聲波回聲測距的原理測距，用蜂鳴器進(jìn)行聲音報警。系統的硬件結構框圖如圖1所示。該系統主要由單片機控制系統、超聲波發(fā)射電路、接收放大電路、按鍵控制和聲音報警電路。AT89C51單片機是整個(gè)系統的核心部件，用來(lái)控制、協(xié)調各部件的工作。工作時(shí)先由單片機控制的振蕩源產(chǎn)生40K Hz頻率的信號以驅動(dòng)超聲波傳感器，使它發(fā)射脈沖。當第一個(gè)超聲波脈沖發(fā)射后，計數器開(kāi)始計數，在檢測到第一個(gè)回波脈沖的瞬間，計數器停止計數，計算出從發(fā)射到接收的時(shí)間差Δｔ，最終利用單片機計算出距障礙物的距離，并根據遠距、近距控制按鈕設定的測距值進(jìn)行報警指示。

圖1超聲波導盲系統的硬件結構框圖

3. 超聲波測距原理

超聲波測距采用的方法是時(shí)間差測距法，在超聲波發(fā)生器發(fā)射出超聲波的同時(shí)開(kāi)始計時(shí)，超聲波在空氣中傳播，途中碰到障礙物就立即返回來(lái)，超聲波接收器收到反射波就立即停止計時(shí)，測出發(fā)射和接收到回波的時(shí)間差Δｔ。由下式可以求出超聲波發(fā)射地與目標之間的距離Ｓ

Ｓ＝ｖΔｔ／２ （1）

式中ｖ為超聲波的傳播速度，超聲波常溫下在空氣中的傳播速度是340米／秒，傳播速度與空氣的溫度、濕度等因素的有關(guān)，這里由于測量距離不長(cháng)，測量精度要求不高，不考慮其他影響，只要測得超聲波發(fā)射和接收回波的時(shí)間差Δｔ，按（1）式計算即可。

4 控制系統硬件電路設計

4.1 超聲波的發(fā)射電路

超聲波的發(fā)射電路主要由高頻三極管及超聲波發(fā)生器組成，如圖2所示,超聲波收發(fā)傳感器采用壓電陶瓷傳感器UCM40，由于頻率為40kHz左右的超聲波在空氣中傳播的效率最佳，因此通過(guò)執行程序由單片機P1.0產(chǎn)生40KHz的振蕩信號,經(jīng)過(guò)高頻三極管放大, 驅動(dòng)超聲波發(fā)生傳感器UCM40T發(fā)出40KHz的超聲波脈沖。

圖2 超聲波發(fā)射電路

4.2 超聲波的接收電路

超聲波的接收傳感器采用與發(fā)射傳感器配對的UCM40R，將由發(fā)射傳感器發(fā)出的經(jīng)反射后的超聲波脈沖轉變?yōu)槲⑷醯慕涣餍盘?，?jīng)過(guò)運算放大器 LM358的兩級放大后，送至音頻譯碼集成模塊LM567的3腳。LM567是帶鎖相環(huán)的音頻譯碼器，具有選頻功能，LM567內部的壓控振蕩器的中心頻率f=1/1.1RC，當LM567輸入信號大于25mV時(shí)，輸出端8腳由高電平跳變?yōu)榈碗娖?，將其作為單片機的中斷請求信號，送至單片機INT0端，以啟動(dòng)中斷服務(wù)子程序。接收電路如圖3所示。

圖3超聲波接收電路

4.3按鍵及蜂鳴器驅動(dòng)電路

開(kāi)關(guān)控制電源的通斷,遠距、近距控制按鈕一端接高電平，另一端分別接單片機P1.2、P1.3，并同時(shí)經(jīng)與門(mén)接入單片機INT1端，當其中任意按鍵按下時(shí)會(huì )產(chǎn)生一個(gè)中斷請求信號送入INT1，同時(shí)，從P1口讀數判斷按鍵的狀態(tài)并調用相應的子程序進(jìn)行處理。遠距、近距控制按鈕同時(shí)只有一個(gè)有效，由軟件控制，都按下時(shí)為近距控制按鈕有效。蜂鳴器由三極管驅動(dòng)，接P1.4，由報警程序控制，對應不同的按鍵及距離，發(fā)出不同頻率的聲音。

5 系統的軟件設計

本系統軟件采用模塊化設計，超聲波測距導盲器的超聲波測距、按鍵控制、報警提示都由AT89C51單片機控制，主程序流程圖如圖4所示。

圖4 主程序流程圖

上電后主程序無(wú)限循環(huán)，初始化后系統設置一系列初始值，包括超聲波發(fā)射間隔數、定時(shí)器定時(shí)初值、報警門(mén)限值等，然后讀取按鍵的狀態(tài)，再根據按鍵狀態(tài)對初始設定值進(jìn)行修改，初始值報警距離設定為2米，即2米內有障礙物時(shí)即驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)出聲音，并且隨著(zhù)距離的接近，不斷調整參數，使得聲音的頻率不斷提高。遠距、近距控制按鈕分別對應不同的超聲波發(fā)射間隔和報警門(mén)限、頻率等；程序控制發(fā)送0.2毫秒寬度的超聲波，同時(shí)啟動(dòng)定時(shí)器Ｔ0計時(shí)；為避免接收傳感器直接接收到發(fā)射的超聲波，在發(fā)射超聲波之后插入一段延時(shí)，由于設置超聲波頻率為40KHz , 超聲波常溫下在空氣中的傳播速度是340米／秒,計算可知延時(shí)6個(gè)脈沖就可以了。延時(shí)后啟動(dòng)接收回波程序，等待接收回波，超時(shí)(即在設定距離內無(wú)障礙物) 即返回前面，若有回波則停止計時(shí)，讀取時(shí)間差,利用公式(1)計算出距離，然后執行報警程序，根據計算距離結果及設定值比較選擇不同參數，驅動(dòng)蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音，距離越近頻率越高。最后返回重新開(kāi)始。

6 誤差分析

對系統進(jìn)行實(shí)驗測試，結果發(fā)現在５米范圍內，最大誤差在5cm以?xún)?，且距離越近，誤差越小，完全滿(mǎn)足導盲的需要。分析誤差主要有幾個(gè)原因：一是空氣溫度變化等引起的聲速變化造成的誤差，由于超聲波在空氣中的傳播速度為V=331.5+0.607t，t為現場(chǎng)環(huán)境溫度，溫度在-30℃--40℃范圍變化時(shí)，傳播速度V的變化范圍為313米／秒--356米／秒，對利用公式(1)計算出的距離值有一定影響，采用聲速預置和傳播介質(zhì)溫度測量結合的方法對聲速進(jìn)行修正，可有效地降低溫度變化產(chǎn)生的誤差。二是發(fā)射與脈沖計數由于響應快慢差異開(kāi)啟不同步引起的誤差，對此在調試中通過(guò)脈沖計數值補償進(jìn)行修正。三是超聲波在傳播過(guò)程由于受衍射、散射和吸收等影響衰減導致的誤差，近距離誤差不明顯，距離越遠產(chǎn)生的誤差越大，可適當增大超聲波的發(fā)射功率等來(lái)改善。四是發(fā)射和接受前置電路延遲的時(shí)間誤差等，而發(fā)射前置電路和接收前置電路中采用集成芯片都有時(shí)間延遲，而計數器則一直是在工作，直到回波經(jīng)過(guò)LM567處理后變成負跳變電信號產(chǎn)生外部INTO中斷，在整個(gè)計數過(guò)程中，多了延遲時(shí)間中的計數次數，導致測距數據的誤差。對此采取時(shí)間增益控制，來(lái)減少誤差，由于本裝置對于厘米級的精度已經(jīng)足夠，電路延遲都是納秒數量級，記數頻率是40KHz，所以減少一個(gè)記數單位完全可以矯正。針對誤差原因在程序設計及系統調試中做了相應處理后，收到一定的效果，精度得到一定的提高。

7 結束語(yǔ)

由于考慮到體積、成本等因素，本裝置在性能上、功能上還存在不足，有待于進(jìn)一步提高：

(1)增加幾路不同方向的超聲波探測或紅外探測器以及溫度補償電路等,可以提高裝置的靈敏度和精度,同時(shí)提高可靠性。

(2)可在裝置中增加一個(gè)語(yǔ)音芯片，將蜂鳴報警改為語(yǔ)音說(shuō)明指示，根據探測結果直接報出距離、方位,更便于使用。

(3)由于受發(fā)射功率及回波檢測靈敏度的限制,探測范圍較小,可增加發(fā)射功率調節等電路，以便增大探測范圍，可用于夜間探路、井下探索等。

本文創(chuàng )新點(diǎn)：

(1)從測試結果分析可知，本裝置采用較低成本的器件設計制作，且誤差較小，完全滿(mǎn)足盲人行走的指引作用，具有較高的性?xún)r(jià)比。

(2)本裝置結構簡(jiǎn)單、體積小、性能穩定，操作容易、使用方便，可以安裝在不同的載體上，制作成不同的用具，如手杖、導盲眼鏡、導盲背心等，盲人很容易學(xué)會(huì )使用，具有一定推廣應用價(jià)值。

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