引言

為了更好地幫助盲人行走，各科研機(jī)構(gòu)研制了各種電子導(dǎo)盲設(shè)備。傳統(tǒng)電子導(dǎo)盲裝置存在以下不足：使用普通電池，工作時(shí)間短，需要頻繁更換電池；傳感器受外界影響較大，探測精度不高；操作復(fù)雜，并且造價(jià)昂貴。

超聲波測距是一種非接觸式檢測方式，利用其可測范圍廣，不受光線和被測物體顏色的影響等優(yōu)勢，可以解決很多問題，在工業(yè)控制、勘探測量、精確定位和交通安全等領(lǐng)域都有廣泛的應(yīng)用。目前超聲測距實(shí)現(xiàn)方便，計(jì)算簡單，容易實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)控制，并且在測量精度上能達(dá)到使用的要求，因此可以很好地使用于導(dǎo)盲器的研制中。

1、 超聲波傳感器及測距的原理

超聲波是指頻率高于20 kHz的機(jī)械波，超聲波傳感器是在超聲波頻率內(nèi)將交變的電信號轉(zhuǎn)換成聲音信號或者將外界聲場中的聲音信號轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘柕哪芰?a target="_blank">轉(zhuǎn)換器件，習(xí)慣上稱為超聲波換能器，或是超聲波探頭。超聲波探頭材料是壓電晶體或壓電陶瓷，這種探頭統(tǒng)稱為壓電式超聲波探頭，利用壓電材料的壓電效應(yīng)來工作的，其壓電效應(yīng)具有可逆性。逆壓電效應(yīng)是將高頻脈沖轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動，以產(chǎn)生超聲波，可作為發(fā)射探頭。正壓電效應(yīng)是將高頻機(jī)械振動轉(zhuǎn)化成高頻電脈沖，可接收超聲波信號，作為接收探頭。

超聲波測距的原理一般是回波渡越時(shí)間法，即檢測從超聲波發(fā)射探頭發(fā)射的超聲波，經(jīng)空氣介質(zhì)的傳播，與其遇到障礙物后產(chǎn)生回波，并被超聲波接收探頭接收的時(shí)間差△t，即渡越時(shí)間，求出聲源到障礙物的距離S，計(jì)算公式為：

S=v△t／2 （1）

式中v為某一溫度下的超聲波速。

2 、實(shí)驗(yàn)裝置與控制方法

本項(xiàng)目研究的太陽能超聲波導(dǎo)盲器從功能上分為太陽能供電、語音報(bào)警、量程設(shè)置、溫度檢測、主控制系統(tǒng)等五個(gè)模塊，其原理框圖如圖1所示。

太陽能電池板固定在導(dǎo)盲器支架頂端，通過驅(qū)動電路連接到可充電的鎳氫電池為導(dǎo)盲器提供5 V直流電。超聲波傳感器和溫度傳感器固定在導(dǎo)盲器支架前端，分別連接到主控制電路上。使用時(shí)，先選擇量程，打開開關(guān)，溫度傳感器檢測環(huán)境溫度，并將檢測到的溫度信號傳輸給單片機(jī)，單片機(jī)對超聲波傳播速度進(jìn)行修正。在量程范圍內(nèi)，當(dāng)超聲波信號遇到障礙物時(shí)，信號被反射回來，并被超聲波傳感器接收。信號發(fā)射到接收的時(shí)間差與障礙物的位置有關(guān)，單片機(jī)通過分析超聲波發(fā)射到返回的時(shí)間差，可以計(jì)算出障礙物的距離，并執(zhí)行報(bào)警程序，語音報(bào)警聲可以通過耳機(jī)接線口連接到耳機(jī)。

2．1 主控制模塊

主控制模塊主要由單片機(jī)進(jìn)行控制，包括了超聲波發(fā)射電路和超聲波接收電路，由于要實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離測量，而超聲波在空氣中傳播，其能量會隨傳播距離的增大而減小，從遠(yuǎn)距離傳播回來的信號比較弱，需要經(jīng)過多級信號放大。

2．1．1 超聲波發(fā)射電路

發(fā)射電路主要由反向器74LS04和TCT40-1F超聲波發(fā)射傳感器構(gòu)成，單片機(jī)P2．0端口輸出的40 kHz方波信號一路經(jīng)一級反向器后送到超聲波傳感器的一個(gè)電極，另一路經(jīng)兩級反向器后送到超聲波傳感器的另一個(gè)電極。輸出端采用兩個(gè)反向器并聯(lián)，用以提高驅(qū)動能力。上拉電阻既可以提高反向器74LS04輸出高電平的驅(qū)動能力，也可以增加超聲換能器的阻尼效果，縮短其自由振蕩的時(shí)間。其原理圖如圖2所示。

2．1．2 超聲波接收電路

超聲波接收器采用與發(fā)射器相配對的TCT40-2S，將超聲波調(diào)制脈沖轉(zhuǎn)換為40 kHz的電壓信號。集成電路CX20106A是一款紅外線檢波接收的專用芯片，內(nèi)置前置放大器、限幅放大器、帶通濾波器、檢波器、積分器、整型電路等。其中前置放大器具有自動增益控制功能，可保證在超聲波接收較遠(yuǎn)反射信號而輸出微弱電壓時(shí)，放大器有較高的增益，而在近距離輸入信號強(qiáng)時(shí)，放大器不會過載。考慮到紅外遙控常用的載波頻率為38 kHz與測距的超聲波頻率40 kHz較為接近，可以利用它制作超聲波檢測接收電路，如圖3所示。利用CX20106A接收超聲波，具有很高的靈敏度和較強(qiáng)的抗干擾能力。

2．2 溫度補(bǔ)償模塊

由于超聲波屬于聲波范圍，其波速v與溫度有關(guān)，聲波速度受溫度影響較大。其傳播速度與溫度T的關(guān)系為：

增加溫度傳感器，檢測裝置工作時(shí)的溫度，將接收到的溫度信息傳至單片機(jī)，對超聲波的速度進(jìn)行溫度補(bǔ)償，可以校正超聲波的傳播速度，提高測量精確度。利用集成溫度傳感器DS18B20和AT89S52單片機(jī)為主體，可以構(gòu)成一個(gè)高精度的數(shù)字溫度檢測系統(tǒng)，其電路如圖4所示。DS18B20溫度傳感器，與傳統(tǒng)的熱敏電阻溫度傳感器不同，它能夠直接讀出被測的溫度值，并且可根據(jù)實(shí)際要求，通過簡單的編程，實(shí)現(xiàn)9～12位的A／D轉(zhuǎn)換。因而，使用DS18B20可使系統(tǒng)結(jié)構(gòu)更趨簡單，同時(shí)可靠性更高。

2．3 語音報(bào)警模塊

普通導(dǎo)盲器的報(bào)警方式比較簡單，或者是單一的蜂鳴器報(bào)警，或者只有語音報(bào)警，二者都存在缺陷。結(jié)合兩種報(bào)警方式，設(shè)置蜂鳴器和語音芯片作為聲音報(bào)警器，使用者若選用語音芯片，系統(tǒng)可根據(jù)距離探測的結(jié)果語音報(bào)出障礙物的距離，也可以根據(jù)需要選擇蜂鳴器直接報(bào)警。在近距離模式中，可以用蜂鳴器的頻率來表示距離的遠(yuǎn)近，遠(yuǎn)的時(shí)候采用低頻率的蜂鳴聲，近的時(shí)候采用頻率高的蜂鳴聲，使用者可以根據(jù)聲音頻率的高低快速準(zhǔn)確地判斷前方障礙物的大致距離。在遠(yuǎn)距離模式中，采用語音報(bào)警模式來表示前方障礙物的距離，語音報(bào)警模塊采用的語音芯片是WT588D。

語音系統(tǒng)的原理框圖如圖5所示，分語音存儲和語音播放兩部分。系統(tǒng)利用單片機(jī)進(jìn)行數(shù)據(jù)采集，經(jīng)處理轉(zhuǎn)換為可判斷語音芯片播放哪段語音的判斷信號。然后驅(qū)動耳機(jī)播放聲音信號，利用WT588D VoiceChip軟件可以對語音芯片進(jìn)行編輯、聲音錄入等操作。

2．4 量程設(shè)置模塊

本裝置預(yù)設(shè)遠(yuǎn)距、中距、近距三個(gè)量程用來控制報(bào)警的距離，系統(tǒng)初始報(bào)警距離為近距1 m，按中距和遠(yuǎn)距按鍵可分別將初始報(bào)警距離設(shè)為3m和6m。

2．5 太陽能供電模塊

通過太陽能光伏電池發(fā)出的直流電驅(qū)動系統(tǒng)，并以可充電的鎳氫電池作為積蓄太陽能發(fā)電板的剩余電力的設(shè)備。太陽能供電模塊由太陽能電池、太陽能控制器、蓄電池和DC-DC轉(zhuǎn)換器等組成，如圖6所示。太陽能控制器可以控制蓄電池對太陽能的采集和儲存的工作狀態(tài)，并對蓄電池起到保護(hù)作用，延長蓄電池使用壽命。

3、 算法設(shè)計(jì)與實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

3．1 算法設(shè)計(jì)

本裝置軟件的控制核心為AT89S52單片機(jī)，單片機(jī)通過讀取量程設(shè)置值和溫度值對初始設(shè)置狀態(tài)進(jìn)行修改，控制發(fā)射超聲波，同時(shí)啟動定時(shí)器計(jì)時(shí)，為了避免接收傳感器直接接受發(fā)出的超聲波，可在發(fā)射超聲波后設(shè)置一段延時(shí)。當(dāng)超聲波探測器探測到回波時(shí)，計(jì)時(shí)器停止計(jì)時(shí)，讀取時(shí)間差，根據(jù)回波測距原理計(jì)算出障礙物距離，并執(zhí)行報(bào)警程序，程序流程圖如圖7所示。由于采用的是12 MHz的晶振，計(jì)數(shù)器每個(gè)計(jì)數(shù)就是1μs，當(dāng)主程序檢測到接收成功的標(biāo)志位后，將計(jì)數(shù)器T0中的數(shù)（即超聲波來回所用的時(shí)間）按式（3）計(jì)算，即可得被測物體與測距器之間的距離S，假設(shè)溫度為20℃，則對應(yīng)聲速v為344m／s，則有：

3．2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

試驗(yàn)中選用一紙箱作為障礙物，將報(bào)警模塊換為液晶顯示器進(jìn)行定量測量，不同氣溫下在同一點(diǎn)位置測量5個(gè)值，添加溫度補(bǔ)償和量程選擇，得到如表1所示結(jié)果。

由此可以看出，本實(shí)驗(yàn)的相對誤差較小，但是由于盲區(qū)的出現(xiàn)，所測的結(jié)果不能與標(biāo)準(zhǔn)值完全相等。并且當(dāng)障礙物距離比較近時(shí)，測量精確性較高；障礙物較遠(yuǎn)時(shí)，精確性相對較低；這是由于距離較遠(yuǎn)時(shí)，超聲波回波信號較弱，噪聲較大，容易產(chǎn)生誤差。

4 、結(jié)語

目前導(dǎo)盲器的研究較多，本實(shí)驗(yàn)提出的設(shè)計(jì)方案特點(diǎn)是以太陽能作為系統(tǒng)的動力來源，采用半導(dǎo)體數(shù)字溫度傳感器實(shí)現(xiàn)對單片機(jī)超聲波測距系統(tǒng)的溫度測量和補(bǔ)償，從而對聲速進(jìn)行補(bǔ)償，對引起測量誤差的因素進(jìn)行修正處理，可以提高導(dǎo)盲器的導(dǎo)盲精度及靈敏度。由于預(yù)留了單片機(jī)引腳，便于進(jìn)行功能拓展，同時(shí)導(dǎo)盲器系統(tǒng)以模塊化進(jìn)行組裝，適宜增加其他功能模塊。例如可以添加GPS定位器，可以幫助盲人家屬及時(shí)了解盲人的行蹤，避免盲人走失。而且本設(shè)計(jì)具有操作簡便、體積較小等優(yōu)點(diǎn)，因此可以很好地應(yīng)用于實(shí)際生活中。

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