溫俊霞

摘要：針對越來越多的人受到失明或視力損傷困擾的問題，研究了一種基于超聲波測距的手持式導(dǎo)盲系統(tǒng)。該系統(tǒng)采用STM32F103VET6單片機(jī)為控制核心，利用超聲波和三軸加速度傳感器實現(xiàn)對障礙物距離和角度測量，結(jié)合溫度補(bǔ)償提高測距精度，并采用多芯片驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭的方式，增加波形的穩(wěn)定性，提高精度。探測障礙物的位置信息通過語音報警或振動提示傳遞給導(dǎo)盲者。通過調(diào)試和實驗數(shù)據(jù)測試，該手持式導(dǎo)盲裝置定位準(zhǔn)確、成本低廉、易于盲人操作和使用，對盲人方便出行和提高生活質(zhì)量有著重要的社會現(xiàn)實意義。

關(guān)鍵詞：STM32F103VET6單片機(jī);超聲波測距;加速度傳感器;語音報警;成本低廉

中圖分類號：TP311 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

文章編號：1009-3044（2020）34-0242-03

由于先天性眼病的遺傳、白內(nèi)障和后天眼疾，導(dǎo)致越來越多的人受到失明或者視力損傷等眼科疾病的困擾。失明和視力損傷問題是全球最嚴(yán)重的公共衛(wèi)生和社會問題之一，而中國在全世界中是盲人最多的國家之一，在2020年我國失明和視力低下人群數(shù)量約達(dá)5000多萬[1]。現(xiàn)階段國內(nèi)外所研究的導(dǎo)盲裝置存在著體積大、價格昂貴、操作復(fù)雜等缺點[2-6]，不能普遍適用于盲人群體。因此，設(shè)計出一款價格便宜、外形輕巧、使用便捷，同時能夠準(zhǔn)確探測周圍障礙物位置信息并能將相關(guān)信息傳達(dá)給盲人的智能手持式導(dǎo)盲裝置，給他們的出行帶來很大的方便。

1系統(tǒng)整體設(shè)計

本文研究系統(tǒng)主要完成障礙物距離和角度感知、語音和震動提示及相應(yīng)設(shè)置等功能。本系統(tǒng)采用STM32F103VET6單片機(jī)為控制核心，由定時器的PWM功能產(chǎn)生40kHz波形，當(dāng)遇到障礙物時發(fā)生反射，單片機(jī)讀取超聲波從發(fā)射到接收的時間差，并結(jié)合溫度補(bǔ)償?shù)姆绞綄Τ暡▊鞑ニ俣刃Ｕ?，根?jù)時間差測距法測出發(fā)射點到目標(biāo)障礙物之間的距離，并采用三軸加速度傳感器檢測盲人前上方或前下方障礙物與水平面之間的夾角，防止盲人被前方障礙物撞頭或者被絆倒。通過語音和直流振動電機(jī)提示兩種報警方式，將探測的障礙物位置信息傳遞給盲人。語音報警更直接提供信息，振動提示彌補(bǔ)了嘈雜環(huán)境中語音提示的不足。

2系統(tǒng)硬件電路設(shè)計

2.1 STM32電路設(shè)計

綜合考慮性能要求和價格因素，本系統(tǒng)采用ST（意法半導(dǎo)體）公司的STM32F103VET6增強(qiáng)型單片機(jī)。該單片機(jī)使用ARM新一代架構(gòu)的Cortex-M3內(nèi)核，主頻可達(dá)72MHz，在系統(tǒng)中保證了對超聲波檢測的高精度測量[7]。整個系統(tǒng)采用鋰離子電池、電源適配器和5V的USB口供電，經(jīng)過三端降壓穩(wěn)壓的HT7333A電壓轉(zhuǎn)換芯片將輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓為作為STM32的主供電電壓。當(dāng)設(shè)備VDD斷電時，由外部的VBT2電源通過VBAT引腳為內(nèi)部RTC實時時鐘和備用寄存器供電。STM32單片機(jī)的高速外部時鐘使用內(nèi)部的RC振蕩器和外部8MHz的外部時鐘晶振產(chǎn)生。因此，該單片機(jī)能夠滿足設(shè)計需求。

2.2 傳感器電路設(shè)計

2.2.1 溫度傳感器

DS18B20與單片機(jī)之間發(fā)送和接收信息僅需要一個單線接口就可以完成[8]。其工作有兩種供電模式，一種是通過寄生電源工作，另一種是采用外部電源接入VCC引腳供電。第一種供電方式在數(shù)據(jù)拷貝和溫度轉(zhuǎn)換時，單總線必須在10μs內(nèi)要有一個強(qiáng)上拉。因此，該系統(tǒng)實際中采用傳統(tǒng)的設(shè)計方式較簡單，且在溫度轉(zhuǎn)換時總線無須總保持高電平。

2.2.2超聲波傳感器

1）超聲波發(fā)射電路設(shè)計

在探測前方障礙物距離時，單片機(jī)驅(qū)動定時器的PWM功能，輸出40kHz的脈沖信號。為了增加超聲波發(fā)射探頭的驅(qū)動電壓，該系統(tǒng)中采用MAX3232通過推挽方式增大驅(qū)動電壓的峰峰值，以提高壓電的轉(zhuǎn)換效率。將單片機(jī)輸出的PWM脈沖信號先經(jīng)過一個非門，得到兩路±12V互補(bǔ)信號，再作為超聲波探頭的驅(qū)動電壓，增加了探頭的功率，從而增加探測距離。該系統(tǒng)中采用兩片相同的MAX3232芯片并聯(lián)的方式驅(qū)動超聲波發(fā)射探頭，使波形更穩(wěn)定，增加探測距離的精度。

2）超聲波接收電路設(shè)計

CX20106A芯片由5V電壓供電。其外圍電路設(shè)計，如圖1所示。超聲波探頭將接收到的超聲波信號轉(zhuǎn)化為電信號輸入到CX20106A的1引腳，在輸出引腳7發(fā)生一個由高電平到低電平的突變信號，觸發(fā)定時器停止計時，讀取出從發(fā)送到返回的時間差，從而測出障礙物的距離。芯片7引腳在電源端接一個上拉電阻，當(dāng)沒有信號輸入時，該端為高電平，反之則產(chǎn)生一個下降突變，觸發(fā)單片機(jī)中斷。

2.2.3 ADXL345電路設(shè)計

ADXL345是一款超低功耗的3軸加速度傳感器[9]，能夠檢測到障礙物與盲人前上方或者前下方是否有障礙物，為其安全出行提供更好的保障。其芯片外圍電路，如圖2所示。7引腳始終被上拉至VDD I/O，是I2C模式使能，僅需要2線式連接。該芯片內(nèi)部集成32級的FIFO緩沖器，降低了單片機(jī)負(fù)荷和整個系統(tǒng)的功耗，因此能夠滿足該導(dǎo)盲系統(tǒng)對前方障礙物角度測量的要求。

2.2.4 語音提示模塊

本系統(tǒng)選用專用語音芯片VS1053B完成MP3格式語音文件的解碼和播放，選用SPIFlash芯片進(jìn)行語音文件存儲功能。該系統(tǒng)在語音電路中設(shè)計了兩種功放芯片NS8002和PAM8403外圍電路，在實際測試中可根據(jù)測試結(jié)果選用效果好的功放。設(shè)計耳機(jī)模式和功放模式，由盲人自行選擇播放方式。功放電路原理圖，如圖3所示。

輸入耦合電容C53、C48決定低頻響應(yīng)，能夠抑制噪聲產(chǎn)生。但如果輸入耦合電容較大，則反饋網(wǎng)絡(luò)的延遲增大，將會出現(xiàn)POP噪音。因此，選用較小的耦合電容來減少該噪聲。在確定輸入耦合電容值的大小時，必須考慮BYPASS引腳的電容C62，其影響開關(guān)噪聲的性能，因此根據(jù)芯片資料，取C62為1μF，且要求該電容盡量靠近芯片，C53、C48的值取0.39uF，即可滿足系統(tǒng)的性能要求。

2.2.5 振動提示電路設(shè)計

該導(dǎo)盲系統(tǒng)中選用5V直流振動電機(jī)進(jìn)行振動提示模塊的電路設(shè)計。采用三極管集電極放大電路對其輸出信號先進(jìn)行放大后再驅(qū)動直流振動電機(jī)轉(zhuǎn)動。直流振動電機(jī)的繞阻線圈在啟動時會進(jìn)行充電，相當(dāng)于電感，在斷電時線圈放電，就會產(chǎn)生反向電動勢。在振動電機(jī)兩端并接一個續(xù)流二極管和一個電容，與振動電機(jī)構(gòu)成閉合回路，將電流快速放電，以防損壞周圍其他器件。

2.3 供電電路設(shè)計

本系統(tǒng)設(shè)計了三種外部供電方式：9～15V直流電源適配器供電、5VUSB供電、鋰離子電池供電。采用多種供電方式，方便系統(tǒng)使用和調(diào)試。系統(tǒng)內(nèi)部電路需要兩種電壓供電：3.3V直流電壓和5V直流電壓。整個系統(tǒng)中只有超聲波接收芯片CX20106A和振動電機(jī)電路采用5V供電，其他電路全部采用3.3V供電。因此選用三端降壓穩(wěn)壓的HT7333A電壓轉(zhuǎn)換芯片將輸入電壓轉(zhuǎn)換為3.3V電壓。該芯片功耗低，輸出的電壓精度高，能夠滿足系統(tǒng)對電壓的要求。在該部分穩(wěn)壓降壓電路設(shè)計中，考慮到低功耗設(shè)計，采用三片相同的HT7333A芯片，分別將輸入電壓轉(zhuǎn)換為VDD、VDD1、VDD2。

2.4 系統(tǒng)抗干擾設(shè)計

整個系統(tǒng)的抗干擾能力強(qiáng)弱決定著其工作性能的可靠性。電磁干擾會引起系統(tǒng)故障或者給信號的傳輸帶來影響。通過硬件設(shè)計提高系統(tǒng)的抗干擾能力是一種行之有效的方式。因此，在電路設(shè)計時重點考慮控制干擾源、合理區(qū)分地線問題以及混合信號的合理設(shè)計三種抗干擾方式?？垢蓴_源設(shè)計中，多處采用在干擾源的兩端并聯(lián)電容的方式來減少du/dt的值，以降低輸入端的波紋電流損耗和去噪;降低干擾源di/dt時，通過在其回路中串聯(lián)磁珠或增加續(xù)流二極管的方式來實現(xiàn)。干擾傳播抑制設(shè)計中，在單片機(jī)供電電源處加濾波電路，采用大小電容并聯(lián)的方式降低干擾，晶振布局與單片機(jī)的接口端靠近，晶振外殼要接地并且固定?；旌闲盘柨垢蓴_設(shè)計中，采用多點接地和混合接地的方式。

3系統(tǒng)軟件設(shè)計

3.1 系統(tǒng)整體流程圖

本系統(tǒng)的軟件設(shè)計采用了模塊化的設(shè)計方法。主程序主要有系統(tǒng)的初始化，環(huán)境溫度檢測程序、超聲波測距程序、三軸加速度測傾斜角度程序、語音報警程序、振動報警程序和延遲程序。該系統(tǒng)執(zhí)行軟件基本流程：首先初始化系統(tǒng)時鐘和外圍控制模塊，然后由溫度傳感器DS18B20實時采集環(huán)境溫度，并依據(jù)聲速—溫度關(guān)系表查找出當(dāng)前溫度下的聲速值，做好計算前方障礙物距離的準(zhǔn)備;啟動定時器同時由STM32的PWM功能產(chǎn)生3個周期的40kHz脈沖方波信號，從I/O口輸出經(jīng)兩級并聯(lián)換能放大器后由超聲波發(fā)射探頭發(fā)出，遇到前方障礙物時超聲波返回，當(dāng)超聲波接收芯片CX20106A接收到回波并由單片機(jī)處理得到前方障礙物的距離，由三軸加速度傳感器ADXL345測量出前方障礙物的傾斜角度;最后依據(jù)導(dǎo)盲者通過按鍵對導(dǎo)盲系統(tǒng)報警提示功能的選擇，進(jìn)行語音或者振動提示將前方障礙物的位置信息提供給導(dǎo)盲者，方便其安全行走。系統(tǒng)總流程圖，如圖4所示。

4 實驗數(shù)據(jù)采集

為測得該系統(tǒng)超聲波測距的量程、精度和盲區(qū)。選擇同一障礙物放置在離該裝置不同距離處，分別連續(xù)測量5組數(shù)據(jù)，求平均值作為最終測量值。其中實際距離是利用精度為1cm的米尺測量所得。實驗測量數(shù)據(jù)，如表1所示。該導(dǎo)盲系統(tǒng)的超聲波測距最大有效距離為7.6m，精度約為5cm。當(dāng)障礙物距離大于最大量程時，由于回波信號很微弱，系統(tǒng)基本檢測不到任何信號。對于該系統(tǒng)的實測數(shù)據(jù)，能夠滿足設(shè)計的要求，以保證盲人安全行走的。

5 結(jié)束語

本設(shè)計從盲人經(jīng)濟(jì)狀況、使用便捷和準(zhǔn)確探測障礙物位置信息的角度出發(fā)，利用超聲波回波定位原理和三軸加速度傳感器測傾斜角原理，實現(xiàn)了一款基于STM32的手持式導(dǎo)盲系統(tǒng)。根據(jù)實驗采集數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)能夠獨立工作，定位準(zhǔn)確，成本低廉，易于盲人操作和使用。

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【通聯(lián)編輯：梁書】