基于超聲波測距的盲人探障帽

程盛陽+彭力

摘要：盲人依靠盲杖導行，能發現地面障礙，但是胸部以上的障礙物不便探測，時而磕碰頭部，產生傷害。超聲波指向性強，能量消耗緩慢，在介質中傳播的距離較遠，因而超聲波經常用于距離的測量[1]。基于超聲波測距障的盲人探障帽戴在盲人頭上，指向性與盲人面向一致，隨著盲人行走步伐起伏變化，巧妙地探測到前方1.5-2.0米距離內，垂直平面約900cm2 范圍內的障礙物，發出聲音警告提醒盲人，實現導盲避障功能，較好地解決了導盲杖不便對高處障礙物判斷的矛盾，更全面地保護盲人安全行走。

關鍵詞：超聲波測量；導盲；555電路；D觸發器

中圖分類號：TP277 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2017）05-0191-02

1 設計原理

利用超聲波測障的盲人安全帽，包括帶沿的帽子、超聲波測量模塊、電源等幾個部分，系統結構圖如圖1所示。超聲波測量模塊包含振蕩器、定時器、超聲波傳感器、比較器、報警器。基本原理是帽沿下的振蕩器發出周期性工作脈沖，啟動定時器與超聲波傳感器，超聲波傳感器能測量盲人與障礙物間距離，每當定時器計時達到設定值，根據超聲波傳感器輸出狀態，可判別盲人前方1.3米內是否有障礙物，如有障礙物就驅動報警器，提醒盲人注意避開障礙物。

（1）由555構成的多諧振蕩器發出矩形波信號給“超聲波集成模塊”和“單穩態電路”。其下降沿觸發超聲波集成模塊發生超聲波，同時觸發單穩態電路進入暫穩態，開始計時。

（2）超聲波模塊發送和接收超聲波，輸出一個正脈沖，脈沖寬度與超聲波從發射到回收所經歷時間成正比（即測量距離成正比）[2]。

（3）單穩態電路擔當時鐘的功能，它輸出的正脈沖寬度對應著要報警距離所需要的時間。

（4）D觸發器構成比較判定器，以單穩態時鐘電路輸出信號為觸發信號，在單穩態電路一個脈沖結束時，即定時（距離）到了，來判別超聲波模塊此時輸出信號的電平，就知道障礙物距離是否在危險范圍內。如果還是高電平，說明距離長，不報警；如果已經降為低電平，說明距離短，要報警。

2 設計電路圖

設計電路如圖2所示。

其中：R1=10KΩ，R2=100Ω，R3=150Ω，C1=100uF，C2=0.01u，C3=47uF，C4=0.01uF。

超聲波測距模塊HC-SR04[3]可提供2cm-400cm的非接觸式距離感測功能，測距精度可達高到3mm。模塊包括超聲波發射器、接收器與控制電路。本模塊為四端元件，電源正負端與 I/O端 ，在輸入 Trig端給最少10us的高電平信號觸發測距，模塊自動發送 8 個 40khz 的方波，自動檢測是否有信號返回，如有信號返回，則通過輸出口Echo端輸出一個高電平，高電平持續的時間就是超聲波從發射到返回的時間，測試距離=（高電平時間*聲速（340M/S））/2。觸發與響應信號如圖3所示。

第一級555電路I1構成多諧振蕩器，給超聲波測量模塊提供觸發信號，工作周期[4]T=0.7（R1+2R2）C1=714ms；第二級555電路I2構成一個單穩態電路，在多諧振蕩器觸發超聲波模塊時啟動，其延時脈寬[5]Tw=1.1R3C3=7.76ms，由于超聲波在空氣中速度為V=340m/s，所以單穩態脈寬計時巧妙地轉換為測量報警距離，不再需要單片機運算電路，測障距離為：S=Tw*V/2=1.32m。

3 工作過程分析

接通電源后探測電路開始工作，具體過程敘述如下：在圖4中，圖a為555多諧振蕩器輸出波。其下降沿觸發超聲波發生器與555定時器。圖b為555單穩態電路構成的定時器輸出波形，其脈寬（t0-t3）表示超聲波走回報警距離所要時間。圖c、圖d是測障距離不同情況下超聲波模塊輸出情況。

如電路圖2如示，超聲波模塊輸出信號接入D輸入端，當單穩態電路一個脈沖結束t3時刻上升沿觸發D觸發器，即距離在1.32米時，判別1.32米范圍是否有障礙物，圖c表示超聲測量模塊還沒有回聲信號，D輸入高電平，輸出也為高電平，故不報警；圖d有示有障礙物，D輸入低電平，其反射輸出帶動有源蜂鳴器對盲人報警[6]。

4 結語

根據電路原理進行組裝調試，達到了設計目標，其結構簡潔精巧，成本低廉可作為盲人導盲杖的補充，能有效發現盲人前上方的障礙，保護盲人行走安全，實物如圖5所示。

參考文獻

[1]羅振成，張桂枝.自動檢測與轉換技術[M].北京：化學工業出版社，2010：143-150.

[2]莫玉華.基于單片機的倒車雷達系統設計[J].數字技術與應用，2014，（1）：4.

[3]深圳市捷深科技有限公司產品說明書[Z].2012.

[4]劉勇.數字電路（第4版）[M].北京：電子工業出版社，2012：151.

[5]劉勇.數字電路（第4版）[M].北京：電子工業出版社，2012：146.

[6]袁福全.一種便攜式防觸電保護器[J].電工技術雜志，2000，（11）：45.endprint