基于數字傳感器技術導盲裝置

張玉梅 朱林

摘要：介紹了以單片機為核心的數字傳感器技術導盲裝置，通過超聲波傳感器實現測距，色彩傳感器識別信號燈顏色。通過超聲波傳感器以及色彩傳感器傳輸回來的數據進行分析，由語音提示對盲人進行語音播報。該系統方便，準確可為盲人的安全提供保障。

關鍵詞：超聲波測距;智能控制;

0引言

我國是世界上盲人最多的國家，就絕對數字而言，中國盲人總數已超過諸如丹麥，芬蘭或挪威等國家的人口。在我國每年約有45萬人失明，如果以 目前的趨勢繼續保持不變，到2020年預期我國的盲人總數將增加4倍。盲人發生交通事故的事件也屢屢發生。因此為了保護盲人的生命安全設計了以單片機為核心的基于數字傳感器技術導盲裝置。

1整體設計及原理

裝置的整體設計框圖如圖1所示。

超聲波測距是一種傳統而實用的非接觸測量方法，不因為外界的電磁場等因素影響測量的準確性。同時具有穿透性強， 衰減小， 反射能力強等特點，可以適應一些惡劣環境且原理簡單，成本低，方便制作。設計利用超聲波在介質中所往返時間來檢測距離，其原理為;檢測從超聲波發射器發出超聲波（假設傳播為氣體）經過氣體介質的傳播到接收器的時間即往返時間，往返時間與氣體介質中的聲速相乘就是聲波傳輸的距離。而所測距離是聲波傳輸距離的一半，即 ?L=1/2vt（1）在式（1）中，L為待測距離，為超聲波的聲速為往返時間。已知聲速v=344m/s（20℃時）。

1.2色彩識別傳感器原理

TCS230色彩識別傳感器是一種可以通過編程將彩色光轉換成頻率的傳感器，通過硅光電二級管和頻率轉換器集成在唯一的CMOS電路板上，并設置了紅、綠、黃三種濾光器。輸出數字量的信號用來驅動TTL或CMOS邏輯輸入。因此，可直接與微處理器或其他邏輯電路相連接，并且，能夠實現每個彩色信道10位以上的轉換精度，因而，不再需要A/D轉換電路，使整個電路的設計變得更簡單，通過色彩采集探頭以TCS230芯片為核心，在其周圍安裝4只同樣的白色發光二極管選用純白光源，以保證準確接收信號燈顏色。當光源照射到色彩采集器探頭，由TCS230芯片處理反射回來的光線，便可準確地識別出信號燈顏色。

2.硬件電路設計

2.1超聲波發射電路

本文利用STC80C51的P3.3口發射40kHz的方波信號，通過74LS04放大后輸出到超聲波換能器，產生超聲波。74LS04是一個高速GMOS六反相器，可將超聲波進行放大，具有對稱的傳輸延遲和轉換時間，而相對于LSTTL邏輯IC，它的功耗減少很多。對于HC類型，其工作電壓為2V-6V，它具有高抗擾度，可以同時直接輸人LSTTL邏輯信號和GMOS邏輯輸人等特點。本系統將40kH方波信號分成兩路，分別由74LS04經兩次和一次反向放大，從而構成推拉式反向放大。

2.2超聲波接收電路

接收的回來的超聲波信號先經過前置放大器和限蝠放大器，將超聲波信號調整到合適的振幅，再經過帶通濾波器濾波，得到有用信號，濾除干擾信號;最后由峰值檢波器和整形電路輸出到鎖相環路，實現準確的計時。

2.3色彩識別傳感器

系統硬件設計主要包括2部分：前端的顏色采集探頭，主要包括光源的選擇、探頭的設計以及TCS230使用時的外界條件設置;后端基于STC80C51單片機的控制電路，實現對顏色信號的輸出頻率讀取和分析。

STC80C51單片機的P1是個標準的8位準雙向并行I/O口，在組成應用系統時P1日常作通用I/O日用，且可用于位處理，在應用中十分方便。

用STC80C51單片機對TCS230輯引腳的控制功能時輸出頻系數比例的控制引腳S0，S1分別接到P1.2和P1.1口，光電二極管類型的選擇控制引腳S2，S3分別接到P1.5和P1.4口，通過對這幾個端口高低電平值的入編程，實現對TCS230幾個邏輯引腳選擇的自動控制。分頻系數比例的選擇十分重要，它保證了單片機和顏色傳感器TCS230之間的頻率匹配。

2.4自動撥號系統

本系統由主控部分和警情采集部分兩部分組成。主控部分包括以下的幾個部分電路：電源電路及充電電路、撥號電路、通話電路、錄放音電路、摘掛機及斷線檢測電路、警情接收電路、E2PROM 存儲和蜂鳴器報警電路。系統工作原理如下：當單片機STC80C51接收到超聲波傳感器實時檢測到的警情信號后，立即控制摘掛機電路進行模擬摘機，同時控制撥號電路中雙音多頻收發電路產生DTMF信號，自動撥打預先存儲在E2PROM存儲器中的相應的電話號碼（若重力傳感器， 則c路播放預存在錄放音電路中相應的語音信息。

3 系統軟件設計

本文設計的導盲裝置可以分為兩個方面，一是超聲波測距系統，二是語音提示系統。圖2為該系統的流程圖。根據途中指令來設計編程，通過超聲波傳感器測出使用者與周圍環境中距離，和色彩識別傳感器識別到的信號燈顏色，傳入到單片機STC80C51，然后通過語音提示的方式來指導盲人。

本文設計的導盲裝置擁有測距準、靈敏度高、方便攜帶等特點。并且造價低，誤差小，擁有更好的性價比;體積小巧，穩定性強，可以隨身佩戴，也可安放在書包、盲杖、眼鏡等處。基于數字傳感器的導盲裝置系統可以更加進一步普及，為盲人提供更方便的服務。