基于單片機的超聲波導盲系統

北京林業大學理學院　李筱雅　高　寒　張璐璐　郭豐超　唐　戎

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基于單片機的超聲波導盲系統

北京林業大學理學院李筱雅高寒張璐璐郭豐超唐戎

【摘要】本文設計并研究了一種便攜性好、價格低廉、探測精準的導盲設備，該設備利用超聲波對周圍環境進行探測，并將盲人前進道路上與障礙物的距離信息轉化為聲音提示，從而實現導盲的功能。在分析了導盲輔助工具特點的基礎上，利用stc12le4052單片機作為主控制器，設計了超聲波發射和接收電路，并進行了軟件編寫。

【關鍵詞】導盲設備；超聲波；stc12le4052

0　引言

目前我國的盲人現狀不容樂觀，主要體現在兩個方面。一方面，據調查顯示中國是全世界盲人數量最多的國家之一，約每分鐘就有一個人失明，照目前情況來看預計到2020年中國盲人數至少增加一倍，因此我國目前的盲和視力損傷問題已經成為了我國目前最嚴重的社會和公共衛生問題之一。另一方面，城市里導盲基礎設施不完善，盲道斷斷續續，不能對盲人的行走起到很好的指向作用，另外導盲杖探測范圍較小，導盲犬價格昂貴。本文采用超聲波測距在導盲系統中的應用，設計了一種方便，價格低廉并且具有高精度的可穿戴導盲設備。

1　系統結構

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

圖1　系統結構圖

在此系統中，單片機作為主控制器，控制超聲波發射電路發射出特定頻率的方波，經障礙物反射由超聲波接收電路接收信號并將信號處理，經過計算得出前方障礙物距測距點的距離，當距離小于安全距離，報警模塊工作。

2　系統硬件實現

2.1主控制器

本系統由單片機作為核心控制部分，根據設定的工作方式，產生40KHz的方波，經過驅動電路驅動超聲波發生器發出一簇信號，此時，單片機開始計時。

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

2.2超聲波測距原理

超聲波發生器由一個共振板和兩個壓電晶體組成。當壓電晶體在發生器所加脈沖信號的頻率等于壓電晶體的固有振蕩頻率時，就發生共振，即產生超聲波[2]。同理，對于超聲波接收器，需要滿足以下條件，兩電極之間不加電壓，當共振板接收到超聲波時，促使壓迫壓電晶體作振動，完成機械能向電能的轉換。

圖2

圖3　超聲波發射電路圖

2.3超聲波發射電路

超聲波發射電路如圖3所示，其中Send_ctrl、cut_off端由stc12le4052單片機控制，此單片機的I/O口設置為推挽輸出模式，拉電流、灌電流均可達到20mA，保證了D882有足夠的驅動能力和快速的通斷性能。

為提高發射效率，將變壓器的次級電感和發射器構成諧振回路，但這樣也存在余波時間較長，導致近距離的回波被淹沒的問題，因此，在此電路設計中，使用了2種余波抑制電路。一個是R6，通過增加諧振回路的損耗加速余波結束，這種方法不需要控制，但由于同時也消耗了發射的功率，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中最關鍵的部分，它能夠將接收到的反射波轉化成為電信號，然后將其放大到一定幅值，同時抑制噪聲和干擾以利用后續單元進行進一步的處理，

鑒于回波信號的變化范圍較大，因此對放大電路的增益提出了兩個要求：一是放大增益要大，以適應小信號的需要；二是放大增益能變化，以適應信號變化范圍大的需要[3]。

此設計中，接收回路為諧振回路，能夠將微弱的回波信號檢出，送到信號放大電路放大，收到的脈沖輸出送往單片機中斷端，單片機收到中斷信號后則停止計時，計算出距離值，保存等待讀出，或者直接經過UART送出。在接收的過程中，單片機定時控制放大電路的增益逐步提高以適應距離越遠越弱的回波信號[4]。

圖4

2.5報警提示模塊

導盲器響應時間是輔助盲人行走的一個重要指標，為了提高其響應速度，使用蜂鳴器報警。蜂鳴器報警只需要一個高電平就可以使其發聲，信號處理過程簡單，反應迅速。

利用單片機可以控制蜂鳴器發出不同頻率的聲音，仿照倒車雷達的工作原理，將接受到的超聲波回波信號通過濾波和放大電路進行處理之后，由單片機的IO口對其進行檢測[5]。當接收完全部傳感器的信號后，由系統通過特定的算法得到最近的距離，并驅動蜂鳴器工作，提醒盲人最近的障礙物距離以及方位。

3　系統軟件實現

3.1超聲波測距系統的算法

當超聲波發射探頭發出的聲波，碰到障礙物以后被反射回來，就能夠被超聲波接收探頭接收。計算出超聲波信號發出到接收到返回信號所用的時間，就能計算出障礙物到人的距離。計算公式如下：

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

3.2程序設計

本設計利用單片機控制超聲波的發射。超聲波接收電路將超聲波調制脈沖變為交變電壓信號，經過處理電路輸出由高電平躍變為低電平，作為中斷請求信號送至單片機處理。超聲波發送子程序為定時器初始化后，單片機控制傳感器發射一段一段的超聲波[6]。

圖5

當輸出的距離小于安全距離時，報警系統工作蜂鳴器發出不同頻率的響聲；當輸出距離大于安全距離時，則返回主程序，繼續監測信號。

4　結論

該設計靈感來源于倒車雷達，在原有導盲設備的基礎上做了進一步改進，經測試，該設計方案可行，測量精準，響應程度良好，同時利用蜂鳴器報警設計較為人性化。并且其成本較低，相較于目前存在市面上的導盲設備具有價格低廉的特點，更適合于盲人普遍購買。

參考文獻

[1]杜新珂.超聲波測距在智能導盲系統中的應用[D].南京理工大學,2012.

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

[3]岑陳,牛德號.基于超聲波測距的導盲系統設計[J].電子技術,2014,05:18-20+17.

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

[5]張珂,俞國華,劉鋼海.超聲波測距回波信號處理方法的研究[J].測控技術,2008,01:48-50.

[6]趙曉東,孫運強,姚愛琴.超聲波導盲杖的設計[J].山西電子技術,2011,05:19-21.

李筱雅（1994—），河北張家口人，大學本科，現就讀于北京林業大學。

霍虎（1973—），北京人，碩士，高級實驗師，主要研究方向：嵌入式系統和計算機應用。

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