北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院　李筱雅　高　寒　張璐璐　郭豐超　唐　戎

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基于單片機(jī)的超聲波導(dǎo)盲系統(tǒng)

北京林業(yè)大學(xué)理學(xué)院李筱雅高寒張璐璐郭豐超唐戎

【摘要】本文設(shè)計(jì)并研究了一種便攜性好、價(jià)格低廉、探測(cè)精準(zhǔn)的導(dǎo)盲設(shè)備，該設(shè)備利用超聲波對(duì)周圍環(huán)境進(jìn)行探測(cè)，并將盲人前進(jìn)道路上與障礙物的距離信息轉(zhuǎn)化為聲音提示，從而實(shí)現(xiàn)導(dǎo)盲的功能。在分析了導(dǎo)盲輔助工具特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，利用stc12le4052單片機(jī)作為主控制器，設(shè)計(jì)了超聲波發(fā)射和接收電路，并進(jìn)行了軟件編寫(xiě)。

【關(guān)鍵詞】導(dǎo)盲設(shè)備；超聲波；stc12le4052

0　引言

目前我國(guó)的盲人現(xiàn)狀不容樂(lè)觀，主要體現(xiàn)在兩個(gè)方面。一方面，據(jù)調(diào)查顯示中國(guó)是全世界盲人數(shù)量最多的國(guó)家之一，約每分鐘就有一個(gè)人失明，照目前情況來(lái)看預(yù)計(jì)到2020年中國(guó)盲人數(shù)至少增加一倍，因此我國(guó)目前的盲和視力損傷問(wèn)題已經(jīng)成為了我國(guó)目前最嚴(yán)重的社會(huì)和公共衛(wèi)生問(wèn)題之一。另一方面，城市里導(dǎo)盲基礎(chǔ)設(shè)施不完善，盲道斷斷續(xù)續(xù)，不能對(duì)盲人的行走起到很好的指向作用，另外導(dǎo)盲杖探測(cè)范圍較小，導(dǎo)盲犬價(jià)格昂貴。本文采用超聲波測(cè)距在導(dǎo)盲系統(tǒng)中的應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種方便，價(jià)格低廉并且具有高精度的可穿戴導(dǎo)盲設(shè)備。

1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

該系統(tǒng)主要由主控制器、超聲波發(fā)射電路、超聲波接收電路以及報(bào)警提示模塊四部分組成，如圖1所示：

圖1　系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在此系統(tǒng)中，單片機(jī)作為主控制器，控制超聲波發(fā)射電路發(fā)射出特定頻率的方波，經(jīng)障礙物反射由超聲波接收電路接收信號(hào)并將信號(hào)處理，經(jīng)過(guò)計(jì)算得出前方障礙物距測(cè)距點(diǎn)的距離，當(dāng)距離小于安全距離，報(bào)警模塊工作。

2　系統(tǒng)硬件實(shí)現(xiàn)

2.1主控制器

本系統(tǒng)由單片機(jī)作為核心控制部分，根據(jù)設(shè)定的工作方式，產(chǎn)生40KHz的方波，經(jīng)過(guò)驅(qū)動(dòng)電路驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)生器發(fā)出一簇信號(hào)，此時(shí)，單片機(jī)開(kāi)始計(jì)時(shí)。

在這里主控制器選用具有低電壓、低功耗的stc12le4052單片機(jī)作為主控制器(見(jiàn)圖2)。

2.2超聲波測(cè)距原理

超聲波發(fā)生器由一個(gè)共振板和兩個(gè)壓電晶體組成。當(dāng)壓電晶體在發(fā)生器所加脈沖信號(hào)的頻率等于壓電晶體的固有振蕩頻率時(shí)，就發(fā)生共振，即產(chǎn)生超聲波[2]。同理，對(duì)于超聲波接收器，需要滿足以下條件，兩電極之間不加電壓，當(dāng)共振板接收到超聲波時(shí)，促使壓迫壓電晶體作振動(dòng)，完成機(jī)械能向電能的轉(zhuǎn)換。

圖2

圖3　超聲波發(fā)射電路圖

2.3超聲波發(fā)射電路

超聲波發(fā)射電路如圖3所示，其中Send_ctrl、cut_off端由stc12le4052單片機(jī)控制，此單片機(jī)的I/O口設(shè)置為推挽輸出模式，拉電流、灌電流均可達(dá)到20mA，保證了D882有足夠的驅(qū)動(dòng)能力和快速的通斷性能。

為提高發(fā)射效率，將變壓器的次級(jí)電感和發(fā)射器構(gòu)成諧振回路，但這樣也存在余波時(shí)間較長(zhǎng)，導(dǎo)致近距離的回波被淹沒(méi)的問(wèn)題，因此，在此電路設(shè)計(jì)中，使用了2種余波抑制電路。一個(gè)是R6，通過(guò)增加諧振回路的損耗加速余波結(jié)束，這種方法不需要控制，但由于同時(shí)也消耗了發(fā)射的功率，所以阻值不能太小[2]。

2.4超聲波接收電路

超聲波接收電路是系統(tǒng)中最關(guān)鍵的部分，它能夠?qū)⒔邮盏降姆瓷洳ㄞD(zhuǎn)化成為電信號(hào)，然后將其放大到一定幅值，同時(shí)抑制噪聲和干擾以利用后續(xù)單元進(jìn)行進(jìn)一步的處理，

鑒于回波信號(hào)的變化范圍較大，因此對(duì)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(yīng)小信號(hào)的需要；二是放大增益能變化，以適應(yīng)信號(hào)變化范圍大的需要[3]。

此設(shè)計(jì)中，接收回路為諧振回路，能夠?qū)⑽⑷醯幕夭ㄐ盘?hào)檢出，送到信號(hào)放大電路放大，收到的脈沖輸出送往單片機(jī)中斷端，單片機(jī)收到中斷信號(hào)后則停止計(jì)時(shí)，計(jì)算出距離值，保存等待讀出，或者直接經(jīng)過(guò)UART送出。在接收的過(guò)程中，單片機(jī)定時(shí)控制放大電路的增益逐步提高以適應(yīng)距離越遠(yuǎn)越弱的回波信號(hào)[4]。

圖4

2.5報(bào)警提示模塊

導(dǎo)盲器響應(yīng)時(shí)間是輔助盲人行走的一個(gè)重要指標(biāo)，為了提高其響應(yīng)速度，使用蜂鳴器報(bào)警。蜂鳴器報(bào)警只需要一個(gè)高電平就可以使其發(fā)聲，信號(hào)處理過(guò)程簡(jiǎn)單，反應(yīng)迅速。

利用單片機(jī)可以控制蜂鳴器發(fā)出不同頻率的聲音，仿照倒車?yán)走_(dá)的工作原理，將接受到的超聲波回波信號(hào)通過(guò)濾波和放大電路進(jìn)行處理之后，由單片機(jī)的IO口對(duì)其進(jìn)行檢測(cè)[5]。當(dāng)接收完全部傳感器的信號(hào)后，由系統(tǒng)通過(guò)特定的算法得到最近的距離，并驅(qū)動(dòng)蜂鳴器工作，提醒盲人最近的障礙物距離以及方位。

3　系統(tǒng)軟件實(shí)現(xiàn)

3.1超聲波測(cè)距系統(tǒng)的算法

當(dāng)超聲波發(fā)射探頭發(fā)出的聲波，碰到障礙物以后被反射回來(lái)，就能夠被超聲波接收探頭接收。計(jì)算出超聲波信號(hào)發(fā)出到接收到返回信號(hào)所用的時(shí)間，就能計(jì)算出障礙物到人的距離。計(jì)算公式如下：

d為障礙物與接收模塊的距離，s為聲波來(lái)回的路程，c為聲速，t為聲波來(lái)回所用的時(shí)間。

3.2程序設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)利用單片機(jī)控制超聲波的發(fā)射。超聲波接收電路將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)過(guò)處理電路輸出由高電平躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾?qǐng)求信號(hào)送至單片機(jī)處理。超聲波發(fā)送子程序?yàn)槎〞r(shí)器初始化后，單片機(jī)控制傳感器發(fā)射一段一段的超聲波[6]。

圖5

當(dāng)輸出的距離小于安全距離時(shí)，報(bào)警系統(tǒng)工作蜂鳴器發(fā)出不同頻率的響聲；當(dāng)輸出距離大于安全距離時(shí)，則返回主程序，繼續(xù)監(jiān)測(cè)信號(hào)。

4　結(jié)論

該設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于倒車?yán)走_(dá)，在原有導(dǎo)盲設(shè)備的基礎(chǔ)上做了進(jìn)一步改進(jìn)，經(jīng)測(cè)試，該設(shè)計(jì)方案可行，測(cè)量精準(zhǔn)，響應(yīng)程度良好，同時(shí)利用蜂鳴器報(bào)警設(shè)計(jì)較為人性化。并且其成本較低，相較于目前存在市面上的導(dǎo)盲設(shè)備具有價(jià)格低廉的特點(diǎn)，更適合于盲人普遍購(gòu)買(mǎi)。

參考文獻(xiàn)

[1]杜新珂.超聲波測(cè)距在智能導(dǎo)盲系統(tǒng)中的應(yīng)用[D].南京理工大學(xué),2012.

[2]http://www.doc88.com/p-165108828632.html.

[3]岑陳,牛德號(hào).基于超聲波測(cè)距的導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)[J].電子技術(shù),2014,05:18-20+17.

[4]http://www.docin.com/p-941604107.html.

[5]張珂,俞國(guó)華,劉鋼海.超聲波測(cè)距回波信號(hào)處理方法的研究[J].測(cè)控技術(shù),2008,01:48-50.

[6]趙曉東,孫運(yùn)強(qiáng),姚愛(ài)琴.超聲波導(dǎo)盲杖的設(shè)計(jì)[J].山西電子技術(shù),2011,05:19-21.

李筱雅（1994—），河北張家口人，大學(xué)本科，現(xiàn)就讀于北京林業(yè)大學(xué)。

霍虎（1973—），北京人，碩士，高級(jí)實(shí)驗(yàn)師，主要研究方向：嵌入式系統(tǒng)和計(jì)算機(jī)應(yīng)用。

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