基于超聲波的盲人導盲系統(tǒng)的設(shè)計

毛達許 程海玉

（嘉興學院南湖學院，浙江 嘉興314000）

0 引言

中國是世界上盲人最多的國家,視力障礙或全盲者,占全世界4500萬盲人總數(shù)的20%左右.由于生理上的缺陷,盲人在生活、工作等方面有著諸多不便,其中，如何安全行走是盲人生活中最大的問題。

目前引導盲人行走的方法主要有三種：（1）傳統(tǒng)的手杖引導；（2）盲道引導；（3）導盲犬引導。其中傳統(tǒng)的手杖引導通過敲擊地面告知盲人前方是否為可行路線，它無法告知盲人周圍障礙物的空間分布和距離；盲道存在一定的局限性；而導盲犬的培訓周期長，并且成本很高。因此，設(shè)計一種方便、實用，可靠性高的盲人避障裝置具有一定的現(xiàn)實意義和實用意義。本文提出設(shè)計的超聲波傳感器的導盲系統(tǒng)，正是為了實現(xiàn)以上應(yīng)用，與普通導盲杖相比，本設(shè)計的最大不同之處在于可以測出3米內(nèi)的障礙物而不是傳統(tǒng)的那種只是桿長可以接觸到的范圍，該超聲導盲系統(tǒng)可以使盲人及時避障，并且具有準確性強，靈敏度高等特點。同時提供人性化的設(shè)計，用語音予以提示，為盲人的生活帶來了方便。

1 系統(tǒng)的硬件設(shè)計

1.1 導盲系統(tǒng)的整體設(shè)計

超聲波導盲系統(tǒng)是將超聲波探測障礙物功能與手杖觸探障礙物功能結(jié)合為一體。前者適宜先期發(fā)現(xiàn)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，而語音報警模塊則裝在手杖上端，方便盲人聽到報警聲。本設(shè)計主要由單片機和超聲波探測電路、語音報警電路等組成。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。

本系統(tǒng)是在單片機的控制下，利用超聲波測距原理，測量盲人與障礙物之間的距離。當兩者距離小于安全距離時，系統(tǒng)會及時發(fā)出報警聲音，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、檢測溫度、聲音報警等部分組成，系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

1.2 超聲波測距的原理

超聲波發(fā)生器內(nèi)部結(jié)構(gòu)有一個共振板和兩個壓電晶片。當它的兩級外加脈沖信號頻率等于壓電晶片的固有振蕩頻率時，壓電晶片將會發(fā)生共振，并帶動共振板振動，便產(chǎn)生超聲波。在超聲波探測的電路中，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間間隔，輸出脈沖個數(shù)與被測距離成正比。被測物距越遠，脈沖寬度越大。

目前超聲波測距有脈沖回波法、共振法和頻差法，其中常用脈沖回波法測距。超聲波測距的原理一般采用渡越時間法(time of light)，其原理是超聲傳感器發(fā)射超聲波，超聲波在空氣中傳播至障礙物，經(jīng)反射后由超聲傳感器接收反射脈沖，測量出超聲脈沖從發(fā)射到接收的時間，再乘以超聲波在空氣中的速度就得到二倍的聲源與障礙物之間的距離。由發(fā)射傳感器、發(fā)射電路、接收傳感器、接收電路、回波信號處理電路和單片機控制電路等幾部分組成。

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

1.3 超聲波測距的計算

根據(jù)超聲波在空氣中傳播的性質(zhì)，并考慮空氣溫度對超聲波傳播速度的影響，得出超聲波測距的計算公式。超聲波速度計算公式：C=C0+0．607×T

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

距離計算公式：

S=(T×C)/2

式中，T：由微處理器計數(shù)器計算而得。

1.4 電源模塊設(shè)計

AMS1117是一個正向低壓降穩(wěn)壓器，在1A電流下壓降為1.2V。AMS1117有兩個版本:固定輸出版本和可調(diào)版本,固定輸出電壓為1.5V、1.8V、2.5V、2.85V、3.0V、3.3V、5.0V,具有1%的精度；固定輸出電壓為1.2V的精度為2%。AMS1117內(nèi)部集成過熱保護和限流電路,是電池供電的最佳選擇。

2 系統(tǒng)軟件的設(shè)計

軟件設(shè)計主要由主程序、超聲波發(fā)送子程序和數(shù)據(jù)處理子程序等組成。通電后主程序無限循環(huán)，初始化后系統(tǒng)設(shè)置一系列初始值，包括超聲波發(fā)射間隔數(shù)、定時器定時初值、報警門限值等，然后再根據(jù)需要對初始設(shè)定值進行修改，初始值報警距離設(shè)定為3m，即3m內(nèi)有障礙物時即驅(qū)動蜂鳴器發(fā)出聲音，程序控制發(fā)送0．2ms寬度的超聲波，同時啟動定時器計時；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，由于設(shè)置超聲波頻率為40kHz，超聲波常溫下在空氣中的傳播速度是340m/s，計算可知延時6個脈沖就可以了。