基于數(shù)字傳感器技術(shù)導(dǎo)盲裝置

張玉梅 朱林

摘要：介紹了以單片機(jī)為核心的數(shù)字傳感器技術(shù)導(dǎo)盲裝置，通過超聲波傳感器實現(xiàn)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(shù)據(jù)進(jìn)行分析，由語音提示對盲人進(jìn)行語音播報。該系統(tǒng)方便，準(zhǔn)確可為盲人的安全提供保障。

關(guān)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(shù)字而言，中國盲人總數(shù)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(xù)保持不變，到2020年預(yù)期我國的盲人總數(shù)將增加4倍。盲人發(fā)生交通事故的事件也屢屢發(fā)生。因此為了保護(hù)盲人的生命安全設(shè)計了以單片機(jī)為核心的基于數(shù)字傳感器技術(shù)導(dǎo)盲裝置。

1整體設(shè)計及原理

裝置的整體設(shè)計框圖如圖1所示。

超聲波測距是一種傳統(tǒng)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(zhǔn)確性。同時具有穿透性強(qiáng)， 衰減小， 反射能力強(qiáng)等特點，可以適應(yīng)一些惡劣環(huán)境且原理簡單，成本低，方便制作。設(shè)計利用超聲波在介質(zhì)中所往返時間來檢測距離，其原理為;檢測從超聲波發(fā)射器發(fā)出超聲波（假設(shè)傳播為氣體）經(jīng)過氣體介質(zhì)的傳播到接收器的時間即往返時間，往返時間與氣體介質(zhì)中的聲速相乘就是聲波傳輸?shù)木嚯x。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(zhuǎn)換成頻率的傳感器，通過硅光電二級管和頻率轉(zhuǎn)換器集成在唯一的CMOS電路板上，并設(shè)置了紅、綠、黃三種濾光器。輸出數(shù)字量的信號用來驅(qū)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?qū)崿F(xiàn)每個彩色信道10位以上的轉(zhuǎn)換精度，因而，不再需要A/D轉(zhuǎn)換電路，使整個電路的設(shè)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(fā)光二極管選用純白光源，以保證準(zhǔn)確接收信號燈顏色。當(dāng)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(zhǔn)確地識別出信號燈顏色。

2.硬件電路設(shè)計

2.1超聲波發(fā)射電路

本文利用STC80C51的P3.3口發(fā)射40kHz的方波信號，通過74LS04放大后輸出到超聲波換能器，產(chǎn)生超聲波。74LS04是一個高速GMOS六反相器，可將超聲波進(jìn)行放大，具有對稱的傳輸延遲和轉(zhuǎn)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(tǒng)將40kH方波信號分成兩路，分別由74LS04經(jīng)兩次和一次反向放大，從而構(gòu)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(jīng)過前置放大器和限蝠放大器，將超聲波信號調(diào)整到合適的振幅，再經(jīng)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(huán)路，實現(xiàn)準(zhǔn)確的計時。

2.3色彩識別傳感器

系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)計以及TCS230使用時的外界條件設(shè)置;后端基于STC80C51單片機(jī)的控制電路，實現(xiàn)對顏色信號的輸出頻率讀取和分析。

STC80C51單片機(jī)的P1是個標(biāo)準(zhǔn)的8位準(zhǔn)雙向并行I/O口，在組成應(yīng)用系統(tǒng)時P1日常作通用I/O日用，且可用于位處理，在應(yīng)用中十分方便。

用STC80C51單片機(jī)對TCS230輯引腳的控制功能時輸出頻系數(shù)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(xiàn)對TCS230幾個邏輯引腳選擇的自動控制。分頻系數(shù)比例的選擇十分重要，它保證了單片機(jī)和顏色傳感器TCS230之間的頻率匹配。

2.4自動撥號系統(tǒng)

本系統(tǒng)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(jī)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(tǒng)工作原理如下：當(dāng)單片機(jī)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(jī)電路進(jìn)行模擬摘機(jī)，同時控制撥號電路中雙音多頻收發(fā)電路產(chǎn)生DTMF信號，自動撥打預(yù)先存儲在E2PROM存儲器中的相應(yīng)的電話號碼（若重力傳感器， 則c路播放預(yù)存在錄放音電路中相應(yīng)的語音信息。

3 系統(tǒng)軟件設(shè)計

本文設(shè)計的導(dǎo)盲裝置可以分為兩個方面，一是超聲波測距系統(tǒng)，二是語音提示系統(tǒng)。圖2為該系統(tǒng)的流程圖。根據(jù)途中指令來設(shè)計編程，通過超聲波傳感器測出使用者與周圍環(huán)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(jī)STC80C51，然后通過語音提示的方式來指導(dǎo)盲人。

本文設(shè)計的導(dǎo)盲裝置擁有測距準(zhǔn)、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(wěn)定性強(qiáng)，可以隨身佩戴，也可安放在書包、盲杖、眼鏡等處。基于數(shù)字傳感器的導(dǎo)盲裝置系統(tǒng)可以更加進(jìn)一步普及，為盲人提供更方便的服務(wù)。