基于超聲波測(cè)距的導(dǎo)盲儀設(shè)計(jì)研究

曲霄紅，薄文彥

(山西大同大學(xué)教育科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，山西大同037009)

目前中國(guó)約有1700萬(wàn)人視力障礙者，占世界盲人總數(shù)的20%左右。生活中人感知外界的各類信息，至少有80%以上的外界信息經(jīng)視覺獲得，這給盲人在生活中帶來了極大的困難。如何安全行走是盲人生活中的問題之一。

為了方便盲人的安全出行，世界各國(guó)一直進(jìn)行著導(dǎo)盲系統(tǒng)的研制。除了傳統(tǒng)的白色手杖和導(dǎo)盲犬，目前研發(fā)成功的導(dǎo)盲系統(tǒng)有超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)、紅外線導(dǎo)向燈系統(tǒng)、衛(wèi)星導(dǎo)盲、無(wú)線電導(dǎo)盲系統(tǒng)等?，F(xiàn)行研發(fā)成功的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)可以分為兩類，基于電子技術(shù)的導(dǎo)盲系統(tǒng)和基于機(jī)器人技術(shù)的導(dǎo)盲系統(tǒng)。本文闡述的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)是基于電子技術(shù)，在獲得障礙物的距離信息的基礎(chǔ)上，同時(shí)獲得超聲回波的強(qiáng)度信息進(jìn)行音頻編碼，給盲人提供有用的信息。

1 超聲波測(cè)距的原理和計(jì)算

1．1 超聲波測(cè)距的原理

超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個(gè)共振板和兩個(gè)壓電晶片。當(dāng)它的兩級(jí)外加脈沖信號(hào)頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時(shí)，壓電晶片將會(huì)發(fā)生共振，并帶動(dòng)共振板振動(dòng)，便產(chǎn)生超聲波。在超聲波探測(cè)的電路中，發(fā)射端輸出一系列脈沖方波，其寬度為發(fā)射超聲波與接收超聲波的時(shí)間間隔，輸出脈沖個(gè)數(shù)與被測(cè)距離成正比。被測(cè)物距越遠(yuǎn)，脈沖寬度越大[1－3]。

目前有往返時(shí)間檢測(cè)方法、聲波幅值檢測(cè)方法和相位檢測(cè)方法等多種超聲波測(cè)距的方法，這些方法各有特點(diǎn)。本文中硬件設(shè)計(jì)采用的是超聲波往返時(shí)間檢測(cè)方法，原理如圖1。

圖1 超聲波測(cè)距原理

工作原理是把40 KHz脈沖串輸入到超聲波發(fā)射器兩端后，脈沖信號(hào)經(jīng)超聲波內(nèi)部振子振蕩產(chǎn)生了機(jī)械波，再通過空氣介質(zhì)傳播到被測(cè)面，接收器接收到由被測(cè)面反射到超聲波的信號(hào)，在超聲波接收器的兩端，超聲波往返時(shí)間是超聲波經(jīng)氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時(shí)間。聲波傳輸?shù)木嚯x是超聲波往返時(shí)間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘的結(jié)果，聲波傳輸距離的一半即所測(cè)的距離[4]。

1．2 超聲波測(cè)距的計(jì)算

根據(jù)超聲波在空氣中傳播的性質(zhì)，并考慮空氣溫度對(duì)超聲波傳播速度的影響，得出超聲波測(cè)距的計(jì)算公式。

1)超聲波速度計(jì)算公式：

式中，C0：零攝氏度下，超聲波在空氣中的傳播速度為332 m/s；T：空氣的實(shí)際攝氏溫度。

2)距離計(jì)算公式：

式中，T：由微處理器計(jì)數(shù)器計(jì)算而得。

2 系統(tǒng)總體框架

2．1 系統(tǒng)硬件總體設(shè)計(jì)

本系統(tǒng)是在單片機(jī)的控制下，利用超聲波測(cè)距原理，測(cè)量盲人與障礙物之間的距離。當(dāng)兩者距離小于安全距離時(shí)，系統(tǒng)會(huì)及時(shí)發(fā)出報(bào)警聲音，提醒盲人采取避讓措施，避免撞上障礙物。本系統(tǒng)的硬件由發(fā)送、接收處理、檢測(cè)溫度、聲音報(bào)警等部分組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 系統(tǒng)硬件總體結(jié)構(gòu)圖

2．2 系統(tǒng)軟件總體結(jié)構(gòu)

盲人在使用導(dǎo)盲儀時(shí)，系統(tǒng)需要對(duì)硬件的完好性進(jìn)行檢查，判斷是否能正常使用。軟件系統(tǒng)主要包括測(cè)溫子程序、測(cè)距子程序、報(bào)警子程序。結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 軟件總體結(jié)構(gòu)圖

3 硬件電路設(shè)計(jì)

3．1 超聲波發(fā)射電路

本系統(tǒng)采用的超聲波傳感器是一種固有頻率為40kHz，開放型的傳感器。電路如圖4[5]。

圖4 超聲波發(fā)射電路

上圖中電路采用由雙非門組成的3個(gè)RC振蕩電路，其振蕩頻率公式為

為了產(chǎn)生最強(qiáng)的超聲波信號(hào)，將此頻率調(diào)整成超聲波發(fā)射探頭的固有頻率40 kHz左右。上圖振蕩器的振蕩信號(hào)經(jīng)過4 049放大后直接推動(dòng)超聲波發(fā)射探頭。電容C1起到隔離直流的作用，二極管D1、D2用于限制電壓[6]。

3．2 超聲波接收電路

超聲波接收電路是對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行放大后并處理成電路可以接收的電平信號(hào)。電路圖如圖5 所示[6]。

圖5 超聲波接收電路

上圖中運(yùn)算放大器放大接收到超聲波信號(hào)后，信號(hào)經(jīng)二極管D5，D6整流后，成為直流電壓，再與基準(zhǔn)電壓放大器4558C比較后，結(jié)果由TP端輸出。如果接收探頭接收到超聲波信息時(shí)，TP為低電平，反之為高電平[7]。

3．3 報(bào)警電路

報(bào)警電路不需要太過復(fù)雜的濾波和放大電路，它通過一個(gè)NPN晶體管來驅(qū)動(dòng)喇叭或者蜂鳴器。其具有自動(dòng)平滑功能，在放音結(jié)束時(shí)能消除噪音。最終的效果不是簡(jiǎn)單的音調(diào)，而是模擬音響或是逼真的話語(yǔ)[6]。電路如圖6所示。

圖6 報(bào)警電路

4 軟件設(shè)計(jì)

根據(jù)系統(tǒng)的軟件結(jié)構(gòu)，將其劃分為測(cè)溫子程序、測(cè)距子程序、聲音報(bào)警子程序等主要子模塊，通過主程序調(diào)用它們，主程序如下：

4．1 測(cè)溫子程序

4．2 測(cè)距子程序

4．3 聲音報(bào)警子程序

5 結(jié)論

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)對(duì)面狀障礙物與超聲波發(fā)射點(diǎn)之間的距離測(cè)量比較準(zhǔn)確，基于超聲波測(cè)距的導(dǎo)盲器的有效距離可達(dá)到3．6 m，測(cè)量精度為1 cm，同時(shí)該系統(tǒng)還具有體積小、使用方便等特點(diǎn)。

[1]張毅剛．單片機(jī)原理及應(yīng)用[M]．北京：高等教育出版社，2004．

[2]鄒振春．MCS-51系列單片機(jī)原理及接口技術(shù)[M]．2版．北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2006．

[3]董子河，李永輝．超聲波測(cè)距系統(tǒng)的建立及其在汽車防爆系統(tǒng)中的應(yīng)用[J]．汽車電器，1997(3)：2-4．

[4]袁佑新．可視汽車倒車?yán)走_(dá)預(yù)警系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J]．微計(jì)算機(jī)信息，2007(Z2)：268-270．

[5]趙文龍．汽車倒車測(cè)距儀中信號(hào)處理技術(shù)的研究[J]．廈門大學(xué)學(xué)報(bào)，2001，40(Z1)：106-110．

[6]戴曰章．基于超聲波測(cè)距的汽車倒車報(bào)警器設(shè)計(jì)[J]．自動(dòng)化與儀器儀表，2006(3)：27-28．

[7]陳勇．用于超聲波測(cè)距的發(fā)射及接收電路設(shè)計(jì)[J]．電子世界，2008(11)：46-46．