基于超聲波避障的導(dǎo)盲系統(tǒng)設(shè)計(jì)

曹開顏，付明慧，吳俊濤

（江蘇師范大學(xué)江蘇圣理工學(xué)院-中俄學(xué)院，江蘇徐州，221000）

0 引言

我國有1700萬盲人，即每80個(gè)人中就有一個(gè)是視力殘障人士。盲人的生活中存在很多不便。導(dǎo)盲犬因成本高，在國內(nèi)的普及程度不高。據(jù)統(tǒng)計(jì)：一個(gè)導(dǎo)盲犬培訓(xùn)基地平均每年僅能訓(xùn)練約90只導(dǎo)盲犬預(yù)備犬，而其中僅有近30只狗能順利畢業(yè)。這意味著，導(dǎo)盲犬的淘汰率高達(dá)60%-70%。

為了提高盲人的生活質(zhì)量，幫助盲人安全行走，世界各國紛紛研究和設(shè)計(jì)了許多的導(dǎo)盲產(chǎn)品，例如,設(shè)計(jì)電子助盲器、盲人雙耳語音提示系統(tǒng)、電子助盲器等等。大部分盲人選用的是電子導(dǎo)盲杖。但是從功能角度看，當(dāng)前這種電子導(dǎo)盲杖存在探測距離短、無法報(bào)警等缺陷。

超聲波檢測技術(shù)因其具有指向性好，強(qiáng)度可控，對(duì)色彩、光照度不敏感等一系列優(yōu)點(diǎn)，被逐漸應(yīng)用于電子導(dǎo)盲系統(tǒng)中。

1 系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

1.1 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用AT89S52單片機(jī)作為核心控制器，利用超聲波測距原理實(shí)現(xiàn)避障，并利用聲音報(bào)警。主要包括：單片機(jī)最小系統(tǒng)、電源電路、超聲波接收電路、超聲波發(fā)射電路、信號(hào)放大及濾波電路、聲光報(bào)警電路、溫度補(bǔ)償電路等組成。系統(tǒng)結(jié)構(gòu)框圖如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)框圖

各部分外圍電路由AT89S52單片機(jī)控制協(xié)調(diào)。系統(tǒng)工作時(shí)，由單片機(jī)控制振蕩源發(fā)出信號(hào)用來驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射器，發(fā)射40kHz的脈沖。并在超聲波脈沖發(fā)射的同時(shí)，計(jì)數(shù)器開始計(jì)數(shù)。發(fā)射出的超聲波在遇到障礙物后，會(huì)反射，被超聲波接收器接收。當(dāng)接收器接收到超聲波時(shí)，計(jì)數(shù)器停止計(jì)數(shù)，系統(tǒng)計(jì)算出從超聲波發(fā)射到接收的時(shí)間差△t，根據(jù)超聲波在空氣中的傳播速度v，計(jì)算得到人與障礙物間的距離。

1.2 超聲波發(fā)射與接收電路設(shè)計(jì)

超聲波傳感器對(duì)應(yīng)發(fā)射器和接收器。本設(shè)計(jì)系統(tǒng)選用的超聲波發(fā)射器為TCT40-16T，固有振蕩頻率為40kHz。超聲波接收器選用TCT40-16R。超聲波發(fā)射電路原理圖如圖2所示。超聲波接收電路原理圖如圖3所示。

圖2 超聲波發(fā)射電路原理圖

圖3 超聲波接收電路原理圖

1.3 信號(hào)調(diào)理電路設(shè)計(jì)

超聲波接收器UCM-40R轉(zhuǎn)換的電信號(hào)不僅小而且容易受到干擾，所以要配置放大電路和濾波電路[1]。在設(shè)計(jì)放大電路的時(shí)候采用兩級(jí)放大。系統(tǒng)的干擾信號(hào)主要是50Hz工頻和單片機(jī)的12MHz高頻信號(hào)，本設(shè)計(jì)系統(tǒng)先采通過高通濾波器濾除高頻信號(hào)，再通過低通濾波器濾除工頻干擾。如圖4所示。

圖4 放大電路原理圖

1.4 超聲波溫度補(bǔ)償電路設(shè)計(jì)

由于在不同的周圍環(huán)境下，超聲波在空氣中的傳播速度通常會(huì)隨著溫度的變化而變化，因此要精確測量超聲波的傳播速度，務(wù)必要確保周圍環(huán)境溫度適中，以減小誤差，此時(shí)就需要溫度補(bǔ)償電路參與工作[2]。本系統(tǒng)采用美國 Dallas 公司 DSI8B20 傳感器。它具有不受外界干擾、高精確高、測溫范圍寬等優(yōu)點(diǎn)。檢測電路如圖5示。DSI8B20所測的溫度值通過1-wire 總線輸入 AT89S52。通過1-wire總線訪問DSI8B20的協(xié)議主要有DSI8B20 初始化、主機(jī)對(duì)DSI8B20 的讀寫操作、存儲(chǔ)器操作、讀取溫度以及進(jìn)行格式轉(zhuǎn)換等。

圖5 DS18B20 測溫電路原理圖

1.5 聲光報(bào)警電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)配置有 8 個(gè)紅色 LED采用聲光相結(jié)合的報(bào)警方式，如圖6所示。當(dāng)障礙物進(jìn)入報(bào)警范圍且照度大于50lx時(shí)，只驅(qū)動(dòng)蜂鳴器，進(jìn)行聲報(bào)警，如果障礙物進(jìn)入報(bào)警范圍且照度小于 50lx時(shí)進(jìn)行聲光報(bào)警；當(dāng)障礙物離底部超聲波探測器 0.5m或中部超聲波探測器 1.5m 內(nèi)后開始報(bào)警[3]，同時(shí)設(shè)置不同的報(bào)警級(jí)別，離障礙物越近，蜂鳴器聲音越尖銳，點(diǎn)亮的 LED 數(shù)目越多。

圖6 報(bào)警電路原理圖

1.6 電源電路設(shè)計(jì)

本設(shè)計(jì)系統(tǒng)采用12V的鋰電池供電，直流電由三端穩(wěn)壓器LM7805穩(wěn)壓后，輸出+5V穩(wěn)恒直流電。原理圖如圖7所示。

圖7 電源電路原理圖

2 系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

系統(tǒng)軟件采用C語言編程實(shí)現(xiàn)，主要由主程序、超聲波發(fā)生子程序、超聲波接收中斷程序等組成。主程序首先要對(duì)系統(tǒng)環(huán)境進(jìn)行初始化操作，并開放中斷允許。然后進(jìn)入超聲波發(fā)射子程序，設(shè)置定時(shí)初值，啟動(dòng)定時(shí)器，沒有收到折返信號(hào)時(shí)，循環(huán)執(zhí)行；當(dāng)收到折返信號(hào)時(shí)，則啟動(dòng)超聲波接受中斷子程序。中斷子程序讀取外部溫度和折返時(shí)間數(shù)據(jù)，計(jì)算出實(shí)際距離，與報(bào)警距離比較，達(dá)到報(bào)警范圍時(shí)聲光報(bào)警。因超聲波測距程序要有較復(fù)雜的運(yùn)算，并且需精確計(jì)算時(shí)間，所以本程序采用C語言編寫。主程序流程圖如圖8所示。

圖8 主程序流程圖

圖9 超聲波發(fā)射子程序流程圖

圖10 超聲波接收中斷流程圖

3 結(jié)束語

基于超聲波避障的導(dǎo)盲系統(tǒng)，能夠檢測盲人四周的障礙物并進(jìn)行聲光報(bào)警，該系統(tǒng)還采用了DS18B20測溫電路對(duì)超聲波的傳播速度進(jìn)行校正，使結(jié)果更加準(zhǔn)確。同時(shí)，該系統(tǒng)還具有體積小、使用方便等特點(diǎn)，能夠滿足導(dǎo)盲需求，而且設(shè)計(jì)成本低，精度高，具有一定的實(shí)用價(jià)值和推廣意義。