基于超聲波技術(shù)的導盲杖系統(tǒng)設(shè)計與實現(xiàn)

曲丹丹，張宏偉

（大慶師范學院機電工程學院，黑龍江大慶 163712）

隨著現(xiàn)代社會的持續(xù)發(fā)展，人們的出行都變得十分便利，生活也變得更加豐富多彩，但是社會中也同時存在著很多的盲人。盲人在生活上的困難與心理上的痛苦是我們難以想象的，這些困難更多的體現(xiàn)在出行與人際交往之中。對于目前，市場上的導盲工具普遍都是導盲犬，導盲犬習慣于頸圈、導盲牽引帶和其他配件的約束，可以帶領(lǐng)盲人安全地走路，當遇到障礙它們會引導主人停下以免發(fā)生危險。但是，一只導盲犬的培訓過程長達18個月，綜合費用達2.5，3萬美元，如此昂貴的價格不是普通用戶能承擔的，由于這些因素的困擾，設(shè)計了一款基于超聲波技術(shù)的導盲杖，超聲波作為一種頻率超過20kHZ的機械波，具有其指向性強，能量消耗緩慢，在介質(zhì)中傳播距離遠的特點。同時超聲波傳感器還具有結(jié)構(gòu)簡單、體積小、信號處理可靠，檢測比較迅速、方便，計算簡單，易于做到實時控制等很多的優(yōu)點。此外，與其他測距方法相比，超聲波測距不受光線、被測對象顏色等影響。對于處于黑暗、有灰塵、煙霧、電磁干擾、等惡劣的環(huán)境下的被測物具有一定的適應(yīng)能力。因此，基于超聲波技術(shù)的導盲杖對環(huán)境的適應(yīng)能力較強，穩(wěn)定性較高，性價比高，足以給盲人的行路提供更加安全的必要保障。

1 系統(tǒng)總體功能概述

1.1 系統(tǒng)原理及框圖

導盲杖的系統(tǒng)主要由一個主控制器、三對超聲波測距模塊和一個語音報警模塊及振動模塊組成。系統(tǒng)工作時它的三對超聲波測距模塊會對三個不同方向的障礙物距離進行巡回檢測，檢測完畢以后會再將采集到的信息送到微處理器進行一定的處理，最后微處理器再通過語音模塊告知使用者足夠安全的行進方向，如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)原理及框圖

1.2 發(fā)展概述

（1）超聲波的發(fā)展背景。超聲學是近年來發(fā)展非常迅速的一門技術(shù)，并且人們已將超聲波應(yīng)用到很多方面的發(fā)展技術(shù)研究中。超聲技術(shù)可分為兩種一個是檢測超聲，另一個則是功率超聲，作為檢測用的超聲波顯然屬于檢測超聲的范疇。其中檢測超聲主要是利用超聲的信息載體作用，也就是通過超聲在媒質(zhì)中的傳播、吸收、散射、波形轉(zhuǎn)換等方式去提取反映媒質(zhì)本身特性或內(nèi)部結(jié)構(gòu)的信息，從而達到檢測媒質(zhì)性質(zhì)、物體形狀或幾何尺寸、內(nèi)部缺陷或結(jié)構(gòu)的目的。超聲波發(fā)生器分為兩大類：一類是用電氣方式產(chǎn)生超聲波；電氣方式包括壓電型、電動型等；另一類則是采用機械方式產(chǎn)生超聲波；機械方式有加爾統(tǒng)笛、液哨和氣流旋笛等。它們所產(chǎn)生的超聲波的頻率，功率和聲波特性都各不相同，因而它們的用途也各不相同。

（2）超聲波測距的發(fā)展概況。超聲波測距雖然被大量應(yīng)用于各種工業(yè)領(lǐng)域，但它在低信噪比下測距精度較低，因為在多個超聲波測距作用的條件下超聲波之間會產(chǎn)生相互影響，另外測距的時候也存在很多的較大盲區(qū)，這些固有的特點也限制其對多方面進一步的廣泛應(yīng)用。在目前使用的超聲測距技術(shù)中，應(yīng)用最多的是Pellam和Galt于1946年提出的脈沖回波檢測法，它的原理是通過超聲傳感器中所發(fā)射出來的超聲波，接收從被測目標反射回來的回波信號，確定超聲脈沖從發(fā)射一直到接收所花費的時間，然后再根據(jù)超聲波傳播的速度，計算出超聲波傳感器與被測物體之間的距離。

2 硬件系統(tǒng)設(shè)計

2.1 超聲波概述

超聲概述聲波按頻率高低不同可分為四種：頻率在16kHz，20kHz之間的機械波，稱為聲波；低于16kHz的機械波稱為次聲波；高于20kHz的機械波稱為超聲波；高于10MHz的機械波稱為特超聲波。

聲波產(chǎn)生的條件首先是要有一個作機械振動的質(zhì)點作為波源，其次要有傳播振動的彈性介質(zhì)。此外，當振動傳播時，振動的質(zhì)點并不隨波而移走，只是在自己的平衡位置附近振動而已，這與電磁波(交變電磁場以光速在空間的傳播)是完全不相同，與光波也不同。因此超聲作為一種高于人的聽覺范圍的聲波，與光波與電磁波不同，是一種彈性機械波，它可以在氣體、液體和固體中傳播；電磁波的傳播速度為3×108m/s，而超聲波的傳播速度為340m/s，其速度相對電磁波是非常慢的，對于相同頻率的情況下波長較短，因此可以提高測量的分辨率；超聲波在相同的傳播媒體里傳播速度相同，即在相當大的頻率范圍內(nèi)聲速不隨頻率變化，波動的傳播方向與振動方向一致，作為縱向振動的彈性機械波。

本次設(shè)計是研發(fā)電子導盲杖，主要是利用超聲波測距技術(shù)，在遇到障礙物時，獲得障礙物的距離信息，通過單片機控制語音模塊，從而發(fā)出不同的報警錄音，達到導盲的作用。主要內(nèi)容如下：根據(jù)測距技術(shù)的特點，進行電子導盲杖的整體研究和設(shè)計針對電子導盲杖的整體功能來焊接各個模塊的電路；對超聲波發(fā)射模塊進行論證和設(shè)計，產(chǎn)生用于測量的超聲波；對超聲波接受模塊進行論證和設(shè)計，接收反射回來的超聲波；研究和學習使用語音模塊，學會如何往模塊里面錄音，和如何控制放音；進行數(shù)據(jù)采樣電路的設(shè)計與分析，對發(fā)射和接收波的時間進行測量，計算距離；根據(jù)距離來驅(qū)動語音模塊進行放音。

2.2 超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路主要由反相器HEF4069UBP和超聲波換能器構(gòu)成，單片機P1.0端口輸出的40kHz的方波信號一路經(jīng)一級反相器后送到超聲波換能器的一個電極，然后另一路經(jīng)兩級反相器后送到超聲波換能器的另一個電極，用這種推挽形式將方波信號加到超聲波換能器兩端可以提高超聲波的發(fā)射強度。輸出端則是采用兩個反相器并聯(lián)，并聯(lián)的目的是為了提高驅(qū)動能力。壓電超聲波轉(zhuǎn)換器的功能是利用壓電晶體諧振工作。它有兩個壓電晶片和一個共振板。當它的兩極外加脈沖信號的頻率恰好等于壓電晶片的固有振蕩頻率的時候，壓電晶片將會發(fā)生共振，并且?guī)庸舱癜逭駝赢a(chǎn)生超聲波，這時它就是超聲波發(fā)生器；如果沒加電壓的話，當共振板接受到超聲波時，將會壓迫壓電振蕩器作振動，同時將機械能轉(zhuǎn)換為電信號，這時它就成為了超聲波接受轉(zhuǎn)換器。超聲波發(fā)射轉(zhuǎn)換器與接受轉(zhuǎn)換器其結(jié)構(gòu)稍有不同。Vcc為+5V，R以用電位器，它可以調(diào)整振蕩周期，開機上電時，電源通過R，和R，向C充電，當C上電壓下降到V的三分之二時，內(nèi)c部觸發(fā)器將會被置位，輸出翻轉(zhuǎn)變成低電平，然后7腳端內(nèi)部導通，使C通過R放電；當C上電壓下降到V的三分之一時，內(nèi)部觸發(fā)器又將會被置位輸出又翻轉(zhuǎn)變成高電平，7腳端內(nèi)部截止，一個周期結(jié)束。C在充電放電的過程當中，其電壓在V/3和2V/3之間，因此，充電周期可表示為：

因此可發(fā)射脈沖周期：

發(fā)射脈沖波形的頻率為：

輸出脈沖占空比為：

2.3 超聲波接收電路

當發(fā)射換能器發(fā)出超聲波的信號之后，信號會經(jīng)過流體傳播到接收換能器，因為其中間會存在一些雜質(zhì)和氣泡等影響，強度會不斷減小，而且強度也會不穩(wěn)定。為了實現(xiàn)對其高精度的測量，在信號到達檢測電路前必須確保信號是穩(wěn)定可靠的，根據(jù)接收信號的實際情況，我們對所設(shè)計的超聲波接收電路主要由放大電路、濾波電路、自動控制增益電路、電壓比較電路等部分組成，如圖2所示。

圖2 超聲波接收電路

3 超聲波測距原理

超聲波的指向性強而且能量消耗緩慢遇到障礙物后反射效率高，所以它是測距的良好載體。測距時由安裝在同一位置的超聲波發(fā)射器和接收器完成超聲波的發(fā)射與接收，由定時器計時，首先由發(fā)射器向特定方向發(fā)射超聲波并同時啟動定時器計時，超聲波在介質(zhì)傳播途中一旦遇到障礙物后就被反射回來，當接收器收到反射波后立刻停止計時。這樣我們就用定時器記錄下了超聲波自發(fā)射點至障礙物之間往返傳播經(jīng)歷的時間t(s)。由于常溫下超聲波在空氣中的傳播速度約為340m/s，所以發(fā)射點距障礙物之間的距離為：

由于單片機內(nèi)部定時器的計時實際上是對機器周期T機的計數(shù)，設(shè)計中時鐘頻率f取12MHz，設(shè)計數(shù)值N，則

程序中按式（7）計算距離。

4 系統(tǒng)實現(xiàn)

本設(shè)計的語音芯片采用ISD1700系列芯片，該芯片提供了內(nèi)置專利的多信息管理系統(tǒng)，新信息提示，運作模式以及可定制的信息操作指示音效等多項功能?？胤乓舴绞接?種，一是7組觸點控制，可接入常開或常閉觸點控制，也可組成4*4矩陣鍵盤。2是用485總線控制。適用于距離較遠，或節(jié)點較多的情況。該導盲杖在使用時，利用超聲波電路檢測正前方和空中障礙物，利用紅外線電路檢測路面上的低矮障礙物。當檢測到障礙時，語音電路控制揚聲器發(fā)出提示聲音，同時振動電機振動提醒。智能語音播報、操作簡單等特點，它能夠幫助盲人在無需專人陪伴的情況下，獨立出行并提高行走速度與效率。