任艷惠　彭琛　劉浩

摘要：超聲波測(cè)距主要應(yīng)用于倒車(chē)提醒、建筑工地、工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)等的距離測(cè)量，但人們的日常生活中并沒(méi)有帶來(lái)很多的便利。為幫助盲人，本文敘述了智能導(dǎo)盲系統(tǒng)的部分功能（超聲波壁障系統(tǒng)），并通過(guò)proteus 8.0Professional開(kāi)發(fā)基于超聲波原理的智能導(dǎo)盲仿真系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：智能導(dǎo)盲手杖；超聲波壁障系統(tǒng)；仿真系統(tǒng)；AT89C52

中圖分類(lèi)號(hào)：TP311 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1009-3044（2017）05-0204-02

超聲波指向性很強(qiáng)，能量的消耗緩慢，在傳播介質(zhì)中的傳播距離較遠(yuǎn)，所以超聲波經(jīng)常實(shí)用于距離的測(cè)量，如測(cè)距儀和物位測(cè)量?jī)x等都能通過(guò)超聲波來(lái)實(shí)現(xiàn)。利用超聲波檢測(cè)往往比較方便、迅速、易于做到實(shí)時(shí)控制、計(jì)算簡(jiǎn)單，并在測(cè)量精度方面可以達(dá)到工業(yè)實(shí)用的要求，因此可以利用超聲波的這些優(yōu)點(diǎn)對(duì)盲人們的手杖進(jìn)行改進(jìn)，以解決盲人在日常生活中因視力方面的不足帶來(lái)的很多麻煩。

1 國(guó)內(nèi)外現(xiàn)狀

德國(guó)大學(xué)生賽博斯坦設(shè)計(jì)出來(lái)作品Mygo，Mygo看上去就像是個(gè)合金手杖，既輕便又結(jié)實(shí)，末端有個(gè)小小的輪子，拄在地上推行很靈便。這根合金制成的桿子中安裝有攝像頭和傳感器，能辨識(shí)方向和路況等，再通過(guò)無(wú)線(xiàn)耳機(jī)反饋給使用者。輪子上的傳感器也可以記錄行走里程和線(xiàn)路等多種數(shù)據(jù)，幫助盲人朋友判斷是否到達(dá)目的地。E-touch也是為盲人設(shè)計(jì)的電子智能拐杖，內(nèi)置了聽(tīng)覺(jué)及觸覺(jué)導(dǎo)航交互系統(tǒng)，系統(tǒng)由芯片發(fā)出數(shù)據(jù)指令，通過(guò)藍(lán)牙耳機(jī)提示盲人轉(zhuǎn)彎、緊急情況、方向定位等信息。拐杖手柄附近的小球凸起，會(huì)隨著使用者轉(zhuǎn)彎而轉(zhuǎn)動(dòng)，方便盲人把握準(zhǔn)確的方向。智能拐杖還可以下載各地的地圖，幫助盲人更好地出行。韓國(guó)設(shè)計(jì)師設(shè)計(jì)的這個(gè)藍(lán)色的手鐲式裝置，是利用聲吶來(lái)為盲人幫助指路的，叫做Supersonic Stick。這個(gè)聲吶引導(dǎo)器能夠利用聲吶技術(shù)來(lái)偵測(cè)前方的障礙物并通知使用者。盲人朋友只要將它戴在手腕上，就能檢測(cè)出前行的道路上是否有障礙物，聲音和震動(dòng)會(huì)告知戴的人前方物體的遠(yuǎn)近，方便盲人出行。

為盲人朋友設(shè)計(jì)的智能眼鏡，能通過(guò)聲波掃描讓視覺(jué)障礙者感知周?chē)沫h(huán)境變化，方便視覺(jué)障礙者外出時(shí)躲避障礙物。智能眼鏡未來(lái)還將內(nèi)置小型攝像頭，并與互聯(lián)網(wǎng)實(shí)時(shí)連接。通過(guò)大數(shù)據(jù)技術(shù)，攝像頭會(huì)將掃描到的物體與數(shù)據(jù)庫(kù)進(jìn)行對(duì)比，并告訴戴的人他到了哪里，面前的物體是什么，甚至通過(guò)面部識(shí)別，告訴戴的人他面前是誰(shuí)。

中國(guó)的超聲波研究與應(yīng)用進(jìn)入廣泛發(fā)展階段，依賴(lài)于在1956年我國(guó)把超聲學(xué)研究歸入到12年科學(xué)規(guī)劃之中的這一舉動(dòng)。1965年，我國(guó)初步進(jìn)行表面的波換能器的研究，后來(lái)便有了以超聲波為主要技術(shù)的關(guān)于清洗及加工的應(yīng)用逐漸出現(xiàn)，這意味著我國(guó)超聲學(xué)在實(shí)際應(yīng)用方面逐漸完善熟練。超聲技術(shù)伴隨著電力電子技術(shù)的快速進(jìn)步、電力電子器件的不斷更新?lián)Q代，超聲技術(shù)也有了很大的進(jìn)步。現(xiàn)如今在我國(guó)，超聲學(xué)研究也獲得了顯著的成就，甚至在一些方面已經(jīng)不遜色于國(guó)際領(lǐng)先水準(zhǔn)。

2 系統(tǒng)硬件仿真設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的硬件部分主要包括電源電壓轉(zhuǎn)換電路（驅(qū)動(dòng)電路）、測(cè)距電路、危險(xiǎn)距離報(bào)警電路、警示燈電路、及單片機(jī)電路等5個(gè)部分構(gòu)成。采用HC-SR04器件測(cè)量距離，可以提供2cm-450cm的非接觸式距離感測(cè)功能，最高測(cè)距精度可達(dá)3mm；該模塊包括超聲波發(fā)射器、接收器與控制電路。使用該模塊需注意：模塊需提供一個(gè)10μs以上的脈沖觸發(fā)信號(hào)，模塊內(nèi)部將發(fā)出8個(gè)40MHz周期的電平并檢測(cè)回波。當(dāng)檢測(cè)到有回波信號(hào)電路就會(huì)返回相應(yīng)的回響信號(hào)?；仨懶盘?hào)的脈沖寬度與所測(cè)的距離成正比例關(guān)系。通過(guò)發(fā)送跟接收信號(hào)的這個(gè)時(shí)間間隔算出與被測(cè)物體之間的距離。建議測(cè)量的周期在60ms以上，這樣發(fā)射信號(hào)與回響信號(hào)之間就不會(huì)相互影響。

2.1 測(cè)距電路

由于在仿真中并沒(méi)有測(cè)距的元器件，所以針對(duì)測(cè)距元器件在實(shí)物硬件中發(fā)出的信號(hào)波形，用按鍵代替測(cè)距元器件在發(fā)射接收信號(hào)的過(guò)程，在仿真中做的時(shí)候這種方法仿真出來(lái)的結(jié)果并不是很理想，所以后面考慮用555電路產(chǎn)生一個(gè)與測(cè)距元器件產(chǎn)生信號(hào)一致的延時(shí)的信號(hào)，這種方法與真實(shí)的結(jié)果相差不大，因此在選擇這種方式更合理，通過(guò)HC-SR04的工作時(shí)發(fā)出的脈沖信號(hào)波形，發(fā)送一致的信號(hào)波形，達(dá)到仿真測(cè)距的目的。

2.2 危險(xiǎn)距離報(bào)警電路

報(bào)警模塊通過(guò)單片機(jī)給定不同頻率利用蜂鳴器發(fā)出不同聲音。頻率的高低根據(jù)距離的遠(yuǎn)近來(lái)給定，距離越近時(shí)蜂鳴器發(fā)聲的頻率越高。這里我們采取50cm提高一次頻率的，在HC-SR04測(cè)到距離在2m范圍內(nèi)的時(shí)候，蜂鳴器就會(huì)開(kāi)啟警報(bào)，提醒盲人，前方有障礙物，需要謹(jǐn)慎前行。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)的軟件應(yīng)用的時(shí)keil公司的C51集成開(kāi)發(fā)工具—uVision4開(kāi)發(fā)，采用的是模塊化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，采用網(wǎng)絡(luò)標(biāo)號(hào)，運(yùn)用proteus 8 Professional仿真器進(jìn)行的系統(tǒng)硬件仿真。

根據(jù)實(shí)驗(yàn)過(guò)程，程序主要分為以下幾個(gè)部分：

1） 觸發(fā)超聲波：通過(guò)程序發(fā)一個(gè)脈沖給HC-SR04的2腳Trig控制端觸發(fā)模塊發(fā)生一個(gè)超聲波

2） 接收超聲波：3腳Echo端發(fā)出8個(gè)電平數(shù)據(jù)檢測(cè)回波。

3） 距離計(jì)算：通過(guò)發(fā)射聲波到接受聲波的這段時(shí)間，根據(jù)聲音在空中的傳播速度，在程序中計(jì)算出被測(cè)物體的距離。

4） 警戒距離報(bào)警：在超聲波計(jì)算到被測(cè)物體在2M范圍的時(shí)候，BJT會(huì)導(dǎo)通，至蜂鳴器響，已達(dá)到警示盲人的效果。

4 總結(jié)

本文介紹的是基于AT89C52單片機(jī)的智能導(dǎo)盲手杖的部分系統(tǒng)，文中給出了具體的系統(tǒng)硬件和軟件設(shè)計(jì)思路方案。其中超聲波測(cè)距模塊是最為關(guān)鍵的部分，超聲波測(cè)距精度可達(dá)0.3CM，而且測(cè)距盲區(qū)僅僅才2CM，能夠很好地達(dá)到提醒盲人，讓其正確選擇路徑的效果。而且控制方便簡(jiǎn)單。

在設(shè)計(jì)過(guò)程中，遇到了頗多問(wèn)題。一開(kāi)始因?yàn)榉抡孳浖袥](méi)有超聲波測(cè)距的元器件，糾結(jié)了很久。想了幾種方法，如以案件代替超聲波發(fā)射、接收時(shí)的延時(shí)。發(fā)現(xiàn)其效果非常差。數(shù)據(jù)不準(zhǔn)確是一方面，還總是無(wú)反應(yīng)。后來(lái)用了函數(shù)發(fā)生器模擬一個(gè)超聲波的脈沖信號(hào)。但其操作過(guò)程繁瑣，而且比較難以調(diào)試。后來(lái)通過(guò)老師及在網(wǎng)上、書(shū)上查詢(xún)的一些資料。做了一個(gè)555定時(shí)器版的信號(hào)發(fā)生電路。其軟件控制簡(jiǎn)單，并且效果與實(shí)際情況的誤差很小。只有5CM的誤差。根據(jù)超聲波的回執(zhí)信號(hào)，讓蜂鳴器配合，以不同頻率反應(yīng)，其距離的信息，在一開(kāi)始，也是做了很大的工作量，通過(guò)軟件及硬件的調(diào)試，最后還是達(dá)到了相應(yīng)的效果。

通過(guò)對(duì)超聲波測(cè)距電路的設(shè)計(jì)，我們發(fā)現(xiàn)不僅是國(guó)內(nèi)，國(guó)外對(duì)于智能導(dǎo)盲手杖的這塊發(fā)展也是很有限的。社會(huì)能多關(guān)注一下殘障人士，為他們的生活質(zhì)量的提高得到幫助，在這個(gè)科技很發(fā)達(dá)的時(shí)代，正是我們這些有想法的人們?yōu)樯罾щy的人們提供幫助的一個(gè)好時(shí)機(jī)。

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