一種基于超聲波測距原理的導盲系統設計

　　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 超聲波測距方法

　　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。